PAVIMENTO PERMEÁVEL COMO TÉCNICA COMPENSATÓRIA NA DRENAGEM ... · compensatÓria na drenagem...

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS

PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL

TECNOLOGIA AMBIENTAL E RECURSOS HÍDRICOS

PAVIMENTO PERMEÁVEL COMO TÉCNICA

COMPENSATÓRIA NA DRENAGEM URBANA DA

CIDADE DO RECIFE

AUTOR:

Artur Paiva Coutinho

RECIFE, PE - 2011

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS

PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL

TECNOLOGIA AMBIENTAL E RECURSOS HÍDRICOS



CIDADE DO RECIFE

Mestrando:


Orientador:

Prof. Dr. Antonio Celso Dantas Antonino

Co-Orientador:

Prof. Dr. Jaime Joaquim da Silva Pereira Cabral

RECIFE, PE - 2011

iii

ARTUR PAIVA COUTINHO Eng. Civil, Universidade Federal de Pernambuco, 2009



CIDADE DO RECIFE

RECIFE, PE

Agosto de 2011

Dissertação apresentada ao Programa de

Pós-Graduação em Engenharia Civil da

Universidade Federal de Pernambuco,

Orientado pelo Prof. Dr. Antonio Celso

Dantas Antonino, como parte dos

requisitos para obtenção do grau de

Mestre em Engenharia Civil.

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CIDADE DO RECIFE


DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO PROGRAMA DE PÓS-

GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE

PERNAMBUCO COMO PARTE INTEGRANTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS à OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA CIVIL.

Aprovada por:

_______________________________________________

Antonio Celso Dantas Antonino, Ph.D.

(Orientador)

____________________________________________________

Jaime Joaquim da Silva Pereira Cabral, Ph.D.

(Co-orientador)

____________________________________________________

Suzana Maria Gico Lima Montenegro, Ph.D.

(Examinadora Interna)

____________________________________________________

Vladimir Caramori Borges de Souza, D.Sc.

(Examinador Externo)

____________________________________________________

Eduardo Soares de Souza, D.Sc.

(Examinador Externo

RECIFE, PE

Agosto de 2011

v

Catalogação na fonte

Bibliotecária Valdicéa Alves, CRB-4 / 1260

C871p Coutinho, Artur Paiva.

Pavimento permeável como técnica compensatória na drenagem urbana

da cidade do Recife / Artur Paiva Coutinho - Recife: O Autor, 2013.

xx, 132 folhas, gráfs. Tabs.

Orientador: Prof. Dr. Antônio Celso Dantas Antonino.

Co-Orientador: Prof. Dr. Jaime Joaquim da Silva pereira Cabral

Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CTG.

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, 2013.

Inclui Referências e Apêndices.

1. Engenharia Civil. 2. Pavimento permeável. 3. Infiltração. 4. Técnicas

compensatórias. 5. Drenagem urbana. 6. Hydrus 1- D 7. Águas pluviais. I

Antonino, Antônio Celso Dantas. (Orientador). II Cabral, Jaime Joaquim da

Silva ( Co-Orientador). III. Título

UFPE

624 CDD (22. ed.) BCTG/2013-338

vi

Dedicatória

A minha irmã Thayane (in memorian), aos

meus pais Artur e Prazeres Paiva, aos meus

avós Maria e Alfredo (in memorian) por

tudo que me ensinam e ensinaram.

vii

AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus por ter me concedido o dom da vida e por me abençoar

diariamente através de trabalho e desafios. Agradeço a meus pais nas pessoas da minha

mãe Prazeres Paiva Candido,do meu pai Artur Coutinho e dos meus avós Maria Galindo

e Alfredo Primo Paiva (in memorian) pelo amor, pelo carinho e por priorizar a

educação mesmo em momentos difíceis.

Ao meu orientador, Professor Antonio Celso Dantas Antonino pela orientação

desde a minha primeira iniciação científica, pela cobrança e paciência, pelos puxões de

orelha, pelo apoio, por sempre acreditar em minha capacidade, pelas oportunidades de

aprender sempre mais, pelo incentivo em vários momentos e por ter influenciado nas

minhas escolhas o meu mais sincero obrigado.

Ao meu co-orientador, o professore Jaime Cabral, pelo incentivo, pelas

oportunidades concedidas, pelos debates e importantes diálogos sobre vários assuntos,

pelos excelentes livros emprestados, pelo apoio durante toda essa pesquisa, fico bastante

grato, obrigado!

A professora Suzana M.G.L Montenegro, pelo conhecimento repassado, pelas

palavras de incentivo, pela atenção destinada a minha pessoa e a essa pesquisa; lembro

de muitos artigos sobre o tema deste trabalho que hora eu recebia por email ou

simplesmente apareciam em cima da minha mesa. Agradeço também por ter me

influenciado decisivamente em gostar de Hidrologia para ensinar e pesquisar, os meus

mais sinceros agradecimentos.

Aos meus amigos Fernandhinha, Roberto Poio Omena pelas horas de

madrugada, domingos, feriados e dias santos gastos com entusiasmo na execução de

nossos primeiros artigos. Este trabalho faz parte de um sonho nosso!

A minha namorada Katiane, por ter me apoiado e entendido os momentos e

finais de semana em que não pudemos estar juntos tento em vista a realização deste

tabalho.

Aos alunos do GRH (Janduir, Glauber, João Salgueiro, Giuliano, Fernanda,

Daiana, Antonio Freire (sempre lembrando da hora do almoço), Hugo, o casal Manuela

e Edevaldo, e ao grande irmão Saraiva Glawbber aos meus companheiros de sala,

Albert, Tatiane e Tassia por aturarem minha “organização” e pelos momentos de

descontração e amizade nessa caminhada, aos demais pesquisadores especialmente a

viii

Leidjane Maria pelas palavras sempre sábias nas ocasiões mais diversas, sou grato pelo

excelente convívio e apoio durante todo o período dessa pesquisa.

Aos professores do GRH: Roberto Azevedo (grande rubro-negro), Alfredo,

Almir Cirilo e Ricardo Braga pelo aprendizado, conversas de corredor e atenção

sempre destinadas.

Ao trio Albert (sempre falando sobre o São Paulo e me aturando falar sobre o

Sport), Pedro Tyaquiça, grande amigo, sempre disponível e atencioso com todos e a

Janaina ( Jana Janinha) pelas conversas descontraídas, pelo apoio em todas as vezes que

precisei de ajuda A MACAFERRI , por ter doado o geotêxtil utilizado na execução

do experimento, especialmente na pessoa do Engenheiro Civil e amigo Jerônimo

Guerra por acreditar no sucesso deste trabalho.

A UFPE, universidade publica como muitas, de qualidade irretocável como

poucas, segunda casa dos que trabalham pela sua melhoria, obrigado pela formação!

A FACEPE pela concessão da bolsa de mestrado e incentivo a pesquisa no

estado de Pernambuco.

Ao Laboratório de Física do Solo, especialmente aos técnicos e amigos Kassio e

Antonio Marques pelo apoio fundamental nos trabalhos de campo e na realização dos

ensaios. E como esquecer das divertidas conversas com a Angelim, Carlos, Iane e

Claudio ? São muitas histórias!

A diretoria do CTG, nas pessoas do Diretor, Professor Edmilson e Vice- diretor

Prof. Antonino por ter cedido o espaço no estacionamento para a realização do

experimento, por ser sempre solicito aos pedidos, pelo excelente apoio disponibilizando

a estrutura do centro em vários momentos dessa pesquisa.

Aos professores Eduardo Soares de Souza e Vladimir Caramori de Souza pelas

sugestões e contribuições nesse trabalho, é uma honra tê-los na comissão julgadora.

(In memorian) a minha irmã Thayane Paiva, lembro-me dela diariamente e seu

sorriso e alegria refletem entusiasmo e força para continuar combatendo as adversidades

da vida.

ix

RESUMO



CIDADE DO RECIFE


Em áreas urbanas, a crescente ocupação e impermeabilização dos lotes aliada à

falta de planejamento ambiental, tem resultado no aumento considerável de áreas

impermeáveis como, por exemplo: telhados, ruas, estacionamentos e outros, os quais

alteram significativamente as características qualitativas e quantitativas do ciclo

hidrológico. A consequência deste fato é a ocorrência indesejada de problemas de

desconforto urbano como as enchentes, o aumento da temperatura, o efeito estufa, e a

degradação das águas pluviais, dentre outros.

No caso de Pernambuco, o problema já existe nas áreas urbanas da Região

Metropolitana do Recife que por serem muito planas e com baixa declividade

apresentam muitos problemas de alagamentos principalmente nos meses de maio, junho

e julho.

Sistemas de infiltração como pavimentos permeáveis, apresentam-se como

alternativas que permitem uma redução do pico e dos volumes dos hidrogramas de

escoamento superficial gerados, permitindo também uma redução da carga poluente,

além de favorecer a recarga quantitativa dos lençóis freáticos por infiltração. O objetivo

geral deste trabalho é o estudo do uso da técnica pavimento permeável no

amortecimento de alagamentos por ocasião das chuvas torrenciais na cidade do Recife.

O pavimento foi dimensionado para um tempo de retorno de 2 anos e foi executado no

estacionamento do Centro de Tecnologia e Geociências da UFPE resultando em uma

seção de 64 cm de espessura.

O trabalho consta de um monitoramento durante duas quadras chuvosas nos anos

de 2010 e 2011 de varáveis com precipitação pluviométrica, níveis d’água diários e

automáticos da camada de reservatório do pavimento além do monitoramento diário do

potencial matricial da água no solo permitindo avaliar a dinâmica de redistribuição da

água infiltrada. O solo do material de revestimento e do subleito foram caracterizados

utilizando a metodologia Beerkan.

Além disso, foram realizadas simulações numéricas do escoamento e da

dinâmica da água no solo (subleito) do pavimento utilizando o Hydrus 1- D, analisando

cenários de escoamento, considerando chuvas de projeto baseadas na Metodologia do

Bureau Reclamation, chuvas com intensidade constante para vários tempos de retorno.

Como dados de entrada foram utilizados as características do solo suporte do

experimento como granulometria e parâmetros da curva de retenção de água no solo,

além dos potenciais medidos diariamente.

Como resultados observou-se que a camada do revestimento apresentou

características de infiltração maiores que a camada do subleito, alguns eventos

apresentaram extravasamento mostrando que a metodologia de dimensionamento

adotada tinha subdimensionado o sistema, os níveis d’água na camada do reservatório

apresentaram elevada sensibilidade aos eventos de precipitação. Além disso, o

x

pavimento mostrou capacidade para drenar, em menos de 24 horas, o seu volume

mostrando-se preparado para receber o aporte de água decorrentes de outros eventos.

Palavras-chave: pavimento permeável, infiltração, técnicas compensatórias, drenagem

urbana, Hydrus 1-D, águas pluviais.

xi

PERMEABLE PAVEMENT AS A COMPENSATORY

TECHNIQUE IN URBAN DRAINAGE IN THE CITY OF

RECIFE

In urban areas, increasing occupancy and waterproofing of the lots combined

with the lack of environmental planning, has resulted in considerable increase in

impermeable areas such as: roofs, streets, parking lots and others, which significantly

alter the qualitative and quantitative features of the hydrological cycle. The consequence

of this fact is the occurrence of unwanted discomfort urban problems such as flooding,

rising temperatures, global warming and the degradation of rain water, and others.

In the case of Pernambuco, the problem already exists in urban areas in the

Metropolitan Region of Recife, which are very flat and low slope and for this reason,

they present many problems of flooding, especially during May, June and July.

Infiltration systems such as permeable pavements are presented as alternatives

that allow the reduction of the peak and volumes of run-off hydrographs generated,

allowing as well, a reduction of the pollution load, in addition to promoting the

quantitative recharge of groundwater by infiltration. The aim of this work is the study of

the use of the permeable pavement technique in damping flooding due to torrential rains

in the city of Recife. The pavement was designed for a return period of 2 years and was

executed in the parking lot of the Center for Technology and Geosciences of UFPE

resulting in a section of 64 cm thick.

The study consists of the monitoring, during two rainy blocks in the years of

2010 and 2011, variables with rainfall, daily water and automatic level of the reservoir

layer of the pavement beyond the daily monitoring of matric potential of water in soil

allowing to evaluate dynamics of the redistribution of infiltrated water. The coating and

subgrade material soil were characterized using Beerkan methodology.

Moreover, numerical simulations were performed for flow and dynamics of the

water in the soil (subgrade) of the pavement using Hydrus 1 – D, analyzing run-off

rainfall scenarios using project rainfalls based in the methodology of Bureau of

Reclamation, rain with constant intensity for various return periods. Granulometry and

parameters of the retention curve of water in soil, besides the potentials daily measured

– characteristics of the soil of experiment – were used as input data.

As results, it was observed that the coating layer showed infiltration features

higher than the subgrade layer; some events presented overflowing, showing that the

design methodology adopted has undersized the system, the water level in the reservoir

layer showed high sensitivity to precipitation events. In addition, the pavement showed

capacity to drain in less than 24 hours the volume, showing that it is able to receive the

water intake caused by other events. Key Words: permeable pavement, infiltration, compensatory techniques, urban

drainage, Hydrus 1-D, rainwater.

xii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1- Crescimento populacional da cidade do Recife (IBGE, 2010). 5 Figura 2- Influência do incremento da urbanização na geração do escoamento

superficial direto. Adapado da United States Environmental Protection Agency (EPA)

(2005). 7

Figura 3- Cenários de hidrogramas para bacia natural, bacia urbanizada e bacia

urbanizada com aplicação de BMPs. 8

Figura 4– Esquema do funcionamento dos dispositivos de infiltração. Fonte:

ECOPLUIES (2009). 11

Figura 5 - Esquema de trincheira de infiltração. Fonte: Nascimento (1996). 13

Figura 6 - Esquema simplificado de trincheiras de infiltração e modo de alimentação.

Fonte: Leeflang et al. (1998). 13

Figura 7 – Diferentes tipos de superfícies para simulação do escoamento superficial.

Fonte: Araujo et al.2000. 17

Figura 8 – Esquema de pavimento permeável em escala de laboratório. Adaptado de

Lllgen et al .2006. 19

Figura 9- Evolução da redistribuição da umidade no solo para as durações de: a)

5min, b) 10 min, c) 20 min e d) 25 min. Fonte: Lllgen et al ., 2006. 20

Figura 10- Presença de muitas folhas na superfície do pavimento permeável 24

Figura 11 - O solo como um sistema trifásico. Fonte: Adaptado de Hillel (1998). 25

Figura 12 – Curvas de retenção para diferentes tipos de solo obtidas usando o Hydrus

-1D. 30

Figura 13- Perfil de umidade no solo durante a infiltração. Adaptado de Asawa

(2005). 32

Figura 14- Taxa de Infiltração e infiltração acumulada para solos inicialmente seco e

para o mesmo solo inicialmente úmido. Fonte: Brandão (2006). 33

Figura 15 – Localização do pavimento permeável experimental. 37

Figura 16- Precipitação média mensal para a cidade do Recife no período 1994- 2010.

Fonte dos dados: APAC/LAMEPE. 38

Figura 17- Infiltração acumulada obtida para a superfície do solo natural ou base do

pavimento permeável. 39

Figura 18– Estrutura das camadas do pavimento permeável. 44 Figura 19- Foto do espaço dimensionado para a execução do módulo experimental do

pavimento permeável. 45 Figura 20 – Pavimento permeável preenchido com brita. Vista dos poços de

observação (parte de cima e de baixo da foto). Notar tubo de acesso para sonda de

nêutrons no meio. 46 Figura 21 – Pavimento permeável preenchido com brita e posteriormente execução da

camada de geotêxtil drenante. 47

Figura 22- Camada de areia sobreposta a camada de bidim (a esquerda) e execução do

revestimento em blocos intertravados de concreto vazados. 47

Figura 23 - Execução da camada do revestimento para o pavimento permeável, notar

espaços vazios a espera da grama e que as juntas foram preenchidas com argamassa 48

Figura 24- Pluviômetro automático instalado ao lado do pavimento permeável 48

Figura 25 - Curva granulométrica para a camada de revestimento e para as

profundidades de 0 a 100 cm do solo natural (solo suporte ou subleito) do pavimento 50

xiii

permeável.

Figura 26 - a)Sensor de nível utilizado para medição do nível no piezômetro do

pavimento permeável. b) Fixação do sensor de nível a tampa do piezômetro. 52 Figura 27- Profundidades de instalação dos tensiometros para monitoramento do

potencial matricial do solo. 53

Figura 28 – Evolução da precipitação pluviométrica para o período de junho de 2010

a dezembro de 2010 para a estação Várzea-Lamepe. 56

Figura 29 - Espessura da camada de brita do pavimento permeável para durações de

projeto associadas aos tempos de retorno de 2,5 e 10 e 20 anos. 57 Figura 30 – Incremento da espessura da camada de agregado graúdo do pavimento

permeável para durações de projeto associadas aos tempos de retorno de 2,5 e 10 e 20

anos. 58

Figura 31– Curva de retenção obtida experimentalmente para o solo existente na

camada de revestimento do pavimento permeável. 59

Figura 32 – Infiltração acumulada para a camada superficial do revestimento – Ajuste

aos modelos de Horton e de Philip. 60

Figura 33 – Curva de retenção obtida pela metodologia Beerkan para as camadas do

revestimento, topo do subleito e a 20 cm de profundidade do subleito para o pavimento

permeável 63

Figura 34 – Curva de condutividade hidráulica obtida pela metodologia Beerkan para

as camadas do revestimento, topo do subleito e a 20 cm de profundidade do subleito

para o pavimento permeável 64

Figura 35 – Curva característica obtida experimentalmente e estimada pela

metodologia Beerkan. 65

Figura 36- Precipitação total diária para o mês de abril de 2011. 66

Figura 37- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE

em 18/04/2011. 67

Figura 38- Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em

18/04/2011. 67


em 19/04/2011. 68

Figura 40 - Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em

19/04/2011. 68


em 20/04/2011 69


20/04/2011. 69


em 29/04/2011. 70


29/04/2011. 71


em 30/04/2011. 71

Figura 46- Variação do nível do nível de água no reservatório do pavimento

permeável em 30/04/2011. 72

Figura 47-Precipitação pluviométrica diária para o mês de maio de 2011. 73


em 01/05/2011. 73

xiv


01/05/2011. 74 Figura 50- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE

em 02/05/2011. 75


02/05/2011. 76

Figura 52 - Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE

em 03/05/2011. 77

Figura 53 - Variação do nível de água a no reservatório do pavimento permeável em

03/05/2011. 78


em 04/05/2011. 79


04/05/2011. 79


em 05/05/2011. 80


05/05/2011. 80


em 10/05/2011. 81


10/05/2011. 82


em 11/05/2011. 83


11/05/2011. 84


em 19/05/2011. 85


19/05/2011 86

Figura 64- Perfil de potencial matricial da água no solo para o período de 16/04/2011

a 20/04/2011. 87

Figura 65- Perfil de potencial total da água no solo para o período de 16/04/2011 a

20/04/2011. 88

Figura 66- Curva característica calculada e ajustada para o topo do subleito do

pavimento 89

Figura 67- Perfis de umidade volumétrica calculados para o período de 16/04/2011 a

20/04/2011 90

Figura 68- Perfis de potencial matricial monitorados para o período de 28/04/2011 a

01/05/2011 90

Figura 69- Perfis de potencial total monitorados para o período de 28/04/2011 a

01/05/2011 91


01/05/2011 92

Figura 71- Perfis de potencial matricial para o período de 02/05/2011 a 06/05/2011 93

Figura 72- Perfis calculados de umidade volumétrica para o período de 02/05/2011 a

06/05/2011. 94

Figura 73- Perfis de potencial total para o período de 02/05/2011 a 06/05/2011. 95

Figura 74- Precipitação pluviométrica diária para o mês de junho de 2011 96

xv

Figura 75- Precipitação pluviométrica diária, níveis máximos diários e níveis mínimos

diários para o período correspondente a 01/07/2011 a 12/07/2011 97

Figura 76- Pavimento permeável como solo sem vegetação. Período de julho de 2011 97

Figura 77- Condição inicial de potencial matricial adotada na simulação 100 Figura 78- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada de

revestimento para diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do subleito

do pavimento 101

Figura 79- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada do topo

do reservatório com diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do

subleito do pavimento 102

Figura 80- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada da base

do reservatório diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do subleito do

pavimento 103

Figura 81- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada do topo

do solo natural com diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do

subleito do pavimento 103

Figura 82- Esquema das condições de contorno adotada para essa simulação 104

Figura 83- Chuva de projeto com duração de 30 minutos e tempo de retorno de 2, 5,

10 e 25 anos para a cidade do Recife. 105

Figura 84 – Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um

solo natural com as mesmas características do solo pavimento. Umidade volumétrica

inicial de 30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 2 anos. 106

Figura 85- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento

permeável 107

Figura 86 – Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um


inicial de 30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 5 anos 108

Figura 87- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento

permeável 109

Figura 88- Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um


inicial de 30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 10 anos. 110

Figura 89- Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um


inicial de 30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 25 anos. 110 Figura 90- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento

permeável para a duração de 15 minutos após o inicio da precipitação e tempos de

retorno de 2 a 25 anos 111

Figura 91- Ajuste das vazões de pico do hidrograma de escoamento superficial com

os seus respectivos tempos de retorno da precipitação de projeto 112

Figura 92- Hidrogramas de escoamento superficial simulado pelo Hydrus 1-D para o

pavimento permeável submetido a precipitações pluviométricas de intensidade

constante com tempos de retorno de 5,10 e 25 anos. 113

xvi

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Efeitos da urbanização sobre as inundações urbanas. Fonte: Tucci,

2009.

3

Tabela 2 - Classificação textural, massa específica do solo, massa específica das

partículas do solo e porosidade teórica para os solos do revestimento e

subleito do pavimento permeável.

50

Tabela 3 - - Parâmetros de forma da curva de distribuição do tamanho das

partículas.

61

Tabela 4 - Resultados do parâmetro de forma das relações h(θ) e K(θ). 61

Tabela 5 - Valores de S, Ks, θs e hg obtidas através da metodologia Beerkan para

as camadas do revestimento, superfície do subleito e a 20 cm do

subleito do pavimento permeável

62

Tabela 6 - Propriedades hidrodinâmicas do solo natural estimadas pelo Hydrus 1-

D a partir do software Rosetta.

98

Tabela 7 - Parâmetros Hidráulicos das camadas do pavimento permeável 99

xvii

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

APAC Agência Pernambucana de Águas e Clima

ASTM American Society for Testing and Materials

BMP Best Management Pratices

CTG Centro de Tecnologia e Geociências

DEN Departamento de Energia Nuclear

EEP Escola de Engenharia de Pernambuco

IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística

LAMEP Laboratório de Meteorologia de Pernambuco

LID Low Impact Development

NBR Norma Brasileira

NCPTC National Concrete Pavement Technology Center

PAC Programa de Aceleração do Crescimento

RMR Região Metropolitana do Recife

SCS Soil Conservation Service

UFPE Universidade Federal de Pernambuco

xviii

LISTA DE SÍMBOLOS

Símbolo Significado Dimensão

A parâmetro da equação de Philip [L.T-1]

ADRE Área de drenagem [L²]

AINF área de infiltração [L²]

B largura do pavimento permeável [L]

C Coeficiente de escoamento adimensional

C(h) Capacidade Capilar [L-1]

Cλm numero de poros [L]

D Diametro efetivo de uma particula de solo [L]

Dg Parametro de escala do tamanho das partículas [L]

F(D) Distribuição dos tamanhos das partículas g aceleração da gravidade [L]

H Espessura da camada de brita [L]

h Potencial Matricial [L]

HT Potencial total [L]

hg Parametro de normalização [L]

hm Potencial Matricial [L]

I Infiltração acumulada [L]

i Taxa de Infiltração [L.T-1]

if Taxa de Infiltração final [L.T-1]

ii Taxa de Infiltração Inicial [L.T-1]

K Condutividade Hidraulica [L.T-1]

Ks Condutividade Hidraulica Saturada [L.T-1]

L Comprimento longitudinal do pavimento permeavel [L]

L Profundidade de instalção das capsulas porosas [L]

Lhg Altura da coluna de Mercúrio [L]

m Parâmetro de forma da curva de retanção adimensional

M Parametro de forma da curva de F(D) adimensional

Ma Massa de ar [M]

Ml Massa de Agua [M]

Ms Massa de sólidos [M]

Mt Massa total de uma amostra de solo [M]

n Parâmetro de forma da curva de retanção adimensional

N Parametro de forma da curva de F(D) adimensional

P Potencial de Pressão [L]

pm indice de forma do meio Po Potencial osmótico [L]

q Fluxo [L.T-1]

S Sorvidade do solo [L.T-0,5

s Dimensão fractal T Tempo de retorno [T]

xix

Va Volume de ar [L³]

Vl Volume de água [L³]

Vs Volume de sólidos [L³]

Vt Volume total de uma amostra de solo [L³]

Vv Volume de vazios [L³]

W Umidade gravimétrica [M.M-1]

Ycubeta distancia vertical da cubeta a um nível de referencia [L]

z potencial gravitacional [L]

β Constante de decaimento [T-1]

δ parametro de forma da difusividade η Parametro de forma da equação de Brooks & Corey η Porosidade ηb porosidade da brita θ umidade volumétrica [L3.L-3]

θs umidade volumétrica de saturação [L3.L-3]

λc Escala de comprimento capilar [L]

λm Raio caracteristico de poros [L]

μ Coeficiente de viscosidade dinâmica [M.L-1.T-1]

ρs Massa específica das partúlas de solo [M.L-3]

σ Tensão superficial da água [M.T-2]

xx

Combati o bom combate,

completei a corrida, guardei a

fé!

2Tm 4.7

1

Sumário 1.0-INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 3

2.0- OBJETIVOS ............................................................................................................................. 9

2.1-OBJETIVO GERAL ..................................................................................................................... 9

2.2-OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................................................... 9

3.0-OS SISTEMAS DE INFILTRAÇÃO ................................................................................... 10

4.0-TRINCHEIRAS DE INFILTRAÇÃO ................................................................................. 12

5.0- PAVIMENTO PERMEÁVEL E DRENAGEM URBANA ................................................. 15

5.1- PAVIMENTOS PERMEÁVEIS: COMPONENTES E MATERIAS UTILIZADOS .............................. 23

5.2- MANUTENÇÃO DOS PAVIMENTOS PERMEAVEIS ............................................................... 23

6.0- MOVIMENTO DA ÁGUA NO SOLO ................................................................................ 25

6.1 – SOLO, DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES CARACTERISTICAS. .................................................. 25

6.2-RELAÇÕES HÍDRICAS NO SOLO ........................................................................................... 27

6.2.1-FLUXO DA ÁGUA NO SOLO EM CONDIÇÕES DE SATURAÇÃO. ........................................... 27

6.2.2- FLUXO EM CONDIÇÕES DE SOLO NÃO SATURADO - A EQUAÇÃO DE RICHARDS ............... 28

6.2.3- CURVAS DE RETENÇÃO DA ÁGUA NO SOLO UTILIZANDO O HYDRUS 1-D ......................... 29

6.2.4- PARÂMETROS DA EQUAÇÃO DE FLUXO .......................................................................... 30

6.3-MODELOS DE INFILTRAÇÃO ............................................................................................... 31

6.3.1-CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE A INFILTRAÇÃO DA ÁGUA NO SOLO ....... 31

6.3.2-COMPORTAMENTO DA INFILTRAÇÃO ................................................................. 32

6.3.3- O MODELO DE KOSTIAKOV ................................................................................... 34

6.3.4- O MODELO DE KOSTIAKOV-LEWIS ...................................................................... 35

6.3.5- O MODELO DE HORTON ......................................................................................... 35

6.3.6- O MODELO DE PHILIP ............................................................................................. 36

6.3.7- O MÉTODO BEERKAN ............................................................................................. 36

7.0-MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................................ 37

7.1-LOCALIZAÇÃO E CARACTERÍSTICAS DA ÁREA DE ESTUDO .............................. 37

7.2- ENSAIOS DE INFILTRAÇÃO ....................................................................................... 38

7.2.1- O MÉTODO BEERKAN ............................................................................................. 39

7.3-DIMENSIONAMENTO DO PAVIMENTO PERMEAVEL ............................................ 41

7.4. DESCRIÇÃO DO MÓDULO EXPERIMENTAL ........................................................... 44

7.5- PRECIPITAÇÃO ........................................................................................................... 48

7.6-CARACTERIZAÇÃO DO SOLO (SUBLEITO) DO PAVIMENTO ............................... 49

2

7.7 – MONITORAMENTO DOS NÍVEIS DE ÁGUA NO PAVIMENTO PERMEAVEL ..... 51

7.9 - MONITORAMENTO DIÁRIO DO POTENCIAL MATRICIAL DA ÁGUA NO SOLO

.............................................................................................................................................. 52

7.10-O HYDRUS 1-D ............................................................................................................. 53

7.11-HIPÓTESES E CONSIDERAÇÕES ADOTADAS NAS SIMULAÇÕES NUMÉRICAS

UTILIZANDO O HYDRUS 1-D ............................................................................................ 54

8.0-RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................................... 56

8.1-PRECIPITAÇÃO PLUVIOMÉTRICA NO PERÍODO CONSIDERADO ....................... 56

8.2-ANÁLISE DA SENSIBILIDADE DO DIMENSIONAMENTO ....................................... 56

8.3-CARACTERÍSTICAS DA CAMADA DO REVESTIMENTO E DO SUBLEITO DO

PAVIMENTO ........................................................................................................................ 58

8.4-ANÁLISE DOS NÍVEIS DE ÁGUA NO DO PAVIMENTO PERMEAVEL ................... 65

8.4.1-Eventos do mês de abril de 2011 ................................................................................. 65

8.4.2-Eventos do mês de maio de 2011 ................................................................................ 72

8.4.3-Perfis de umidade volumétrica e de potencial matricial para eventos selecionados nos

meses de abril e maio de 2011. ............................................................................................ 86

8.4.4-Eventos do mês de junho de 2011. .............................................................................. 95

8.4.5-Eventos do mês de julho de 2011. ............................................................................... 96

8.5 - SIMULAÇÃO NUMÉRICA USANDO O HYDRUS 1-D ............................................... 97

9.0-CONCLUSÕES ...................................................................................................................... 114

10.0-RECOMENDAÇÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ........................................... 115

10.0-REFERÊCIAS ...................................................................................................................... 117

11-APÊNDICE ............................................................................................................................ 132

3

1.0-INTRODUÇÃO

Atualmente, o elevado grau de urbanização e a impermeabilização das superfícies são

fatos evidentes em todo o Brasil, trazendo como consequência a ocupação desordenada em

áreas de risco (regiões ribeirinhas, morros e encostas), o aumento da velocidade e do volume

do escoamento superficial direto, o aumento da temperatura, a degradação da qualidade da

água, ocasionando como efeito diversos prejuízos à sociedade.

A urbanização como toda obra que interpõe estruturas pouco permeáveis entre o solo e

a chuva, faz com que o escoamento seja incrementado e que a infiltração diminua numa

mudança de regime de escoamento localmente mais drástica do que aquela provocada pelo

desmatamento (MAPLU, 2009).

O crescimento desordenado da população, a falta de gestão integrada no planejamento

urbano, a insuficiência das instalações de sistema de esgotos sanitário e pluvial trazem sérios

problemas para as cidades que na sua maioria ainda não dispõem de Planos Diretores de

Desenvolvimento Urbano. As áreas urbanas ficam cada vez mais impermeabilizadas, ocorre o

aumento dos volumes do escoamento superficial e a aceleração dos escoamentos e, como

consequência, alagamentos e inundações.

A ocupação urbana também provoca alterações físicas como o aumento da

temperatura, provocado pelas superfícies que absorvem mais o calor da radiação solar a

exemplo do concreto e do asfalto. Produzindo assim o aumento da temperatura ambiente

gerando desconforto térmico e aumentando o consumo de energia. Muitas cidades com climas

tropicais desmatam totalmente a cobertura vegetal e implementam áreas impermeáveis,

criando desconforto térmico e prejuízos durante períodos chuvosos. Quando o

desenvolvimento urbano possui planejamento com ações adequadas, as áreas verdes são

preservadas não apenas para recreação, mas para diminuir a temperatura, amortecer e

armazenar o volume de escoamento superficial gerado, integrando as estruturas de drenagem

ao meio ambiente urbano.

A Tabela 1, adaptada de Tucci (2009), relata as principais causas e efeitos da

urbanização sobre as inundações urbanas. Observa-se que como o subsistema de drenagem é

parte de um sistema urbano muito mais complexo, ele deve ser articulado com os outros

subsistemas como resíduos sólidos e esgotamento sanitário, por exemplo, uma vez que essas

desarticulações podem provocar conforme Tabela 1, problemas de qualidade das águas

pluviais urbanas.

Tabela 1- Efeitos da urbanização sobre as inundações urbanas. Adaptado de Tucci, 2009.

4

A ocupação territorial urbana, sem o devido planejamento integrado das diversas infra-

estruturas necessárias ao desenvolvimento harmônico da cidade, desencadeou o surgimento de

problemas de drenagem por ocasião dos eventos hidrológicos de alta intensidade.

Inicialmente, as áreas mais afetadas se localizavam próximas aos cursos de água, em locais de

ocupação da calha secundária e nos trechos de jusante em relação a utilização das áreas

ribeirinhas. Com a expansão territorial, e mesmo com existência de legislações como as leis

federais 4771/65 e 6766/79 , a falta de uma fiscalização que garantissem o disciplinamento

adequado do uso e ocupação do solo fizeram com que os problemas de alagamentos e

inundações fossem se intensificando e se distribuindo ao longo das linhas naturais de

escoamento dos deflúvios superficiais em função da planialtimetria da cidade e do grau de

impermeabilização da área de drenagem (MAPLU, 2009).

No caso de Pernambuco, o problema já existe nas áreas urbanas da Região

Metropolitana do Recife (RMR) que apesar de representar apenas 3% da área do território

pernambucano, concentra 42% da população do estado e mais da metade do PIB estadual

(IBGE, 2010). Tal concentração populacional em uma área pequena se deu de maneira

acelerada (Figura 1), motivando a ocupação de áreas de risco como morros e áreas ribeirinhas.

Lixo

Degradação da qualidade da água

Entupimento de Bueiros e galerias

Redes de esgotos deficientes

Degradação da qualidade da água

Moléstias de Veiculação Hídrica

Desmatamento e desenvolvimento

indisciplinado

Maiores picos e volumes

Mais erosão

Assoreamento em canais e galerias

Ocupação das várzeas

Maiores prejuízos de inundações

Maiores picos

Maiores custos de utilidades públicas

5

Figura 1- Crescimento populacional da cidade do Recife (IBGE, 2010).

Os problemas das águas pluviais nas áreas urbanas da RMR se agravam por fatores

naturais como a topografia da região que se apresenta com áreas muito planas e com baixa

declividade resultando em baixos gradientes hidráulicos. Além disso, alterações artificiais na

bacia como aterramento dos mangues e o elevado teor de lixo no sistema de drenagem

causado pela falta de uma política de conscientização e educação ambiental para a população

apresentam muitos problemas de alagamentos principalmente nos meses de maio, junho, julho

e agosto, período no qual se concentra a estação chuvosa.

Além disso, segundo Cabral e Alencar (2005), a cidade do Recife possui riscos de

alagamentos devido a várias causas. Entre as quais se observa de forma mais significativa às

chuvas torrenciais na própria área da cidade, as chuvas torrenciais nas áreas mais elevadas das

cidades vizinhas, inundações fluviais causadas por chuvas nas bacias hidrográficas dos rios

que cortam a cidade e marés altas de maior amplitude que chegam a alagar algumas partes

baixas da cidade.

As soluções clássicas para esse problema resolvem da forma mais eficiente possível à

água dos centros urbanos. Para tanto, as ações se concentram na execução de obras

hidráulicas (medidas estruturais), tais como a construção de redes de drenagem, canalizações

e retificações de corpos d’água, construção de galerias, dentre outras, a partir das análises

econômicas dos benefícios e dos custos desta medida (Canholi, 2005).

0

200.000

400.000

600.000

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1.800.000

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1709

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1940

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1970

1980

1990

2000

2006

2010

Popula

ção

Ano

6

As limitações das soluções clássicas são ressaltadas pelos prejuízos e dificuldades que

as grandes cidades enfrentam para resolver problemas de cheias urbanas, ou seja, à medida

que o centro urbano se desenvolve faz-se necessário um remodelamento do sistema de

drenagem para adaptá-lo a uma nova situação com hidrogramas de cheias mais rápidos e mais

críticos. Dessa forma essas medidas não são definitivas ou sustentáveis, resolvendo o

problema de cheia em uma área, mas transferindo esse problema para jusante, demandando

assim, o redimensionamento da rede de drenagem a jusante e resultando em custos elevados e

cada vez mais onerosos para a sociedade (Souza e Goldefum, 1999).

A medida de controle de escoamento na microdrenagem tradicionalmente utilizada

consiste em drenar a área desenvolvida através de condutos pluviais até um coletor principal

ou riacho urbano. Esse tipo de solução acaba transferindo para jusante o aumento do

escoamento superficial com maior velocidade, já que o tempo de deslocamento do

escoamento é menor que nas condições pré-existentes. Dessa forma, acaba provocando

inundações nos troncos principais ou na macrodrenagem (Tucci, 2002).

Além disso, a expansão das áreas urbanas modifica a ocorrência natural do ciclo

hidrológico, pois, com o ambiente impermeabilizado, parte da água que infiltrava, evaporava

ou era retida pela cobertura vegetal, passa a compor o escoamento superficial. Nessas

condições ocorre aumento da velocidade de escoamento, redução do tempo de concentração

na bacia, aumento e antecipação na vazão a qual pode ter seu valor de pico aumentado em até

seis vezes (Tucci, 2009).

A Figura 2 ilustra os efeitos do incremento da urbanização sobre o ciclo hidrológico.

Observa-se que com o aumento gradativo da impermeabilização, ocorre uma progressiva

diminuição da infiltração rasa e profunda, diminuindo conseqüente a recarga dos lençóis de

água subterrânea. Além disso, ressalta-se também uma diminuição da evapotranspiração, uma

vez que a impermeabilização das superfícies ocasiona um decrescimento da cobertura vegetal

e do conteúdo de água no solo da bacia hidrográfica.

7

Figura 2- Influência do incremento da urbanização na geração do escoamento superficial

direto. Adapado da United States Environmental Protection Agency (EPA) (2005).

A urbanização tem também consequências não hidrológicas que interferem

significativamente nas questões da drenagem urbana, principalmente se forem consideradas as

condições brasileiras das últimas décadas, marcadas pelo crescimento acelerado e caótico das

populações urbanas. Os impactos mais importantes são as consequências sobre a ocupação do

solo como proliferação de loteamentos executados sem condições técnicas adequadas;

ocupação de áreas impróprias (várzeas de inundação e cabeceiras íngremes); propagação de

favelas e invasões além de ocupação extensa e adensada dificultando a construção de

canalizações e eliminando áreas de armazenamento (Tucci, 2009). Segundo Fergunson

(2005), as edificações são responsáveis por uma faixa de 30 - 35% das áreas impermeáveis

enquanto que as superfícies pavimentadas correspondem aos 60 - 65% restantes. Nesse

sentido, nota-se a necessidade da utilização de novas tecnologias que busquem reduzir a

geração de escoamento na pavimentação de superfícies.

Basicamente, o incremento do escoamento superficial é resultado das ações do homem

sobre o meio ambiente, ocasionando modificações hidrológicas que geralmente acompanham

o desenvolvimento urbano. Nesse contexto, surgiram novas práticas com o objetivo de

8

diminuir ou compensar o impacto gerado pela urbanização. Essas práticas são denominadas

“Low Impact Development” (LID), que são novas formas de manejo sustentável das águas

pluviais urbanas, e possuem como objetivo gerar um desenvolvimento que promova a redução

do volume de escoamento superficial direto e a redução da poluição das águas pluviais pelo

restabelecimento das condições de infiltração e armazenamento em nível local (controle na

fonte) e global na bacia hidrográfica.·.

De acordo com a EPA (2009), as formas mais comuns das LID são as medidas de

conservação e/ou preservação das áreas naturais e das várzeas de inundação, a adoção dos

sistemas de infiltração, os reservatórios para armazenamento da água escoada, os sistemas de

filtração.

Na tentativa de se proteger contra as cheias urbanas, evitando o redimensionamento do

sistema de drenagem, surge a idéia de reconstituir a vazão de pré-ocupação, fazendo com que

a água da chuva volte a ser interceptada, antes de atingir a rede de drenagem. Dessa forma as

chamadas medidas alternativas ou compensatórias de drenagem, também chamadas BMPs

(Best Managment Practices), como pavimento poroso, trincheiras de infiltração, reservatório

de detenção, dentre outras, se apresentam como bons instrumentos de controle do escoamento

superficial tendo como objetivo preservar as condições hidrológicas da bacia pré-urbanizada,

apresentando os processos naturais para promover a drenagem e disposição das águas

pluviais, reduzindo os impactos para um nível aceitável (Figura 3).

Figura 3- Cenários de hidrogramas para bacia natural, bacia urbanizada e bacia urbanizada

com aplicação de BMPs.

0

5

10

15

20

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0 3 6 9 12 15

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tempo

Bacia urbanizada

Bacia natural

Bacia urbanizada com aplicação de BMPs

9

2.0- OBJETIVOS

2.1-OBJETIVO GERAL

Estudar o uso de um pavimento permeável na Cidade do Recife, avaliando o

comportamento hidráulico e hidrológico deste dispositivo, experimentalmente e por meio de

simulação numérica.

2.2-OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Como objetivos específicos podem ser citados:

Instalar um dispositivo experimental e realizar o monitoramento de um

pavimento permeável;

Avaliar a capacidade tanto da camada de revestimento quanto da camada de

base de um pavimento permeável composto por blocos intertravados

preenchidos com grama na retenção, infiltração e amortecimento das vazões de

escoamento superficial em uma área de estacionamento;

Simulação numérica do escoamento superficial direto e da dinâmica da água

no solo suporte para o pavimento permeável, analisando cenários de

funcionamento do dispositivo utilizando o Hydrus – 1D;

10

3.0-OS SISTEMAS DE INFILTRAÇÃO

Os sistemas compensatórios de infiltração são dispositivos que facilitam a retenção e o

amortecimento do escoamento superficial direto, possibilitando o escoamento das águas

pluviais para o subsolo, desempenhando funções de controle dos fluxos de água na superfície

e de poluentes provenientes (hidrocarbonetos, metais pesados) das bacias de drenagem. Esses

dispositivos precisam ser eficientes e robustos para resistir a ações relacionadas ao

comportamento da comunidade onde eles estão inseridos, bem como às operações de

manutenção que devem ocorrer não apenas para manter o seu desempenho hidrológico, uma

vez que essas estruturas possuem funções ligadas aos aspectos de drenagem urbana, e também

ás características estéticas e paisagísticas integradas ao meio ambiente urbano ( Moura et al.

(2009).

Esses dispositivos promovem um armazenamento temporário da água oriunda do

escoamento superficial em um reservatório de pedras. Durante o armazenamento a água é

evacuada para as camadas subjacentes e a taxa dessa queda do armazenamento do reservatório

de pedras depende das características hidrodinâmicas do solo suporte dessas estruturas (taxa

de infiltração inicial, condutividade hidráulica saturada, porosidade e estrutura do solo) e das

características de qualidade da água que percola para a camada onde ocorre estoque

temporário, uma vez que a presença de partículas finas age diminuindo a porosidade através

do processo de colmatação dos dispositivos. A Figura 4 mostra um esquema da interação

entre alguns dos sistemas de infiltração e as zonas não saturada (vadosa) e a saturada.

11

Figura 4– Esquema do funcionamento dos dispositivos de infiltração. Adaptado de

ECOPLUIES (2009).

Para Acioli (2005), as estruturas de infiltração podem trabalhar tanto na redução de

vazões máximas, funcionando como reservatórios de amortecimento, quanto na redução dos

volumes escoados, através da infiltração das águas drenadas, podendo desempenhar também

um importante papel na remoção e controle de poluentes do escoamento superficial. São,

portanto, estruturas que recuperam de forma mais ativa as condições de pré-ocupação, com

relação as estruturas de detenção e retenção que apenas efetuam função de amortecimento.

As vantagens e desvantagens dos dispositivos que permitem maior infiltração e

percolação resumem-se em (Urbonas e Stahre, 1993; Azzoutt et al., 1994; Bettes, 1996;

Nascimento et al.,1997; Souza, 2002; Baptista, 2005; EPA, 2009):

Aumento da recarga dos aquíferos;

Redução de ocupação em áreas com lençol freático baixo;

Preservação da vegetação natural;

Redução da poluição transportada para os rios;

Redução das vazões máximas a jusante;

Redução dos tamanhos dos condutos;

Possibilidade de os solos de algumas áreas ficarem impermeáveis devido a

colmatação;

Falta de manutenção;

aumento do nível do lençol freático atingindo construções em subsolo.

A capacidade de operação dos dispositivos de infiltração está fortemente relacionada à

capacidade de infiltração do solo natural que vai servir de suporte para esta estrutura

hidráulica, a literatura técnica sobre o assunto tem adotado a condutividade hidráulica do solo

como um parâmetro suficiente para verificar a adequação do solo para receber dispositivos

deste tipo. Azzout et al.(1994) consideram que sistemas de infiltração são viáveis para serem

implantados em solos com condutividade hidráulica superior a 10-6

m/s. Para Bettess (1996),

esse valor dever ser superior a 10-10

m/s, valores de condutividade hidráulica entre e 10-6

e 10-3

m/s são considerados suficientes para Alfakih et al. (1999) e Baptista et al. (2005), no entanto,

outro trabalho como Wong (2006) indica valores adequados de permeabilidade entre 10-5

a

12

10-8

m/s e Barraud (2006) e ECOPLUIES (2009) aconselham valores de condutividade

hidráulica entre 10-6

e 10-2

m/s. Observa-se que os valores de condutividade hidráulica

apresentam grande diferença, num limite inferior de 10-10

m/s a um limite superior de 10-3

m/s, a enorme distancia entre esses valores deve interferir basicamente em uma diminuição da

área de infiltração requerida para o dispositivo a medida que a condutividade hidráulica

aumenta. Para os casos em que a condutividade hidráulica apresentar valores baixos,

recomenda-se a adoção de sistemas de armazenamento ou o dimensionamento de drenos.

Para a EPA (1999), sistemas de infiltração devem ser instalados em solos cuja

condutividade hidráulica permita uma drenagem do dispositivo quando em operação para um

tempo mínimo de 12 horas e um máximo de 72 horas sendo que 24 horas é o valor

recomendado. Basicamente, a amplitude desse tempo de detenção é controlada por fatores

como a característica local da chuva, tipo de solo e questões operacionais decididas na fase de

projeto que influenciam decisivamente no desempenho hidráulico dos dispositivos uma vez

que é importante que os mesmos estejam preparados para receber eventos sucessivos.

Além disso, deve-se estar atento a valores elevados da condutividade hidráulica, uma

vez que poluentes oriundos da água de escoamento superficial podem contaminar as águas

subterrâneas, pois valores elevados de velocidade da água nos poros dificultam os processos

de filtração e aderência dos poluentes ao meio poroso. Para esses casos, Barraud et al. (2006)

e o ECOPLUIES (2009) indicam a utilização de sistemas de pré-tratamento, porque além dos

riscos de contaminação do lençol freático devem ser considerados os riscos de colmatação e

consequentemente a perda de permeabilidade dos dispositivos. Segundo Silva (2007), a

discussão sobre os valores mínimos de condutividade hidráulica se refere a capacidade de

drenagem do solo, que não deve ser muito baixa, e o valor máximo se refere a capacidade de

remoção de poluentes e ao risco de contaminação do aqüífero, uma vez que uma elevada

condutividade hidráulica conduziria a uma baixa capacidade de filtração dos poluentes pelo

solo.

4.0-TRINCHEIRAS DE INFILTRAÇÃO

As trincheiras são técnicas compensatórias lineares, implantadas junto à superfície ou

a pequena profundidade, com a finalidade de recolher águas pluviais de afluência

perpendicular ao seu comprimento, favorecendo a infiltração e/ou armazenamento temporário

(Baptista 2005). Também podem ser definidos como dispositivos de drenagem do tipo

13

controle na fonte e tem seu princípio de funcionamento no armazenamento temporário da

água até que ela infiltre no solo. São constituídas por valetas preenchidas por material

granular (brita, pedra de mão e outros), com porosidade em torno de 40%. Esse material é

revestido por filtro geotêxtil, que, além de função estrutural, impede a entrada de finos no

dispositivo, reduzindo o risco de colmatação precoce e podendo trabalhar como filtro anti-

contaminante (Nascimento, 1996).

Figura 5 - Esquema de trincheira de infiltração. Fonte: Silva (2007).

O funcionamento das trincheiras é bastante simples. O acesso das águas superficiais à

estrutura pode ser efetuado diretamente, através da superfície do dispositivo, ou através de um

sistema convencional de drenagem, que efetua a coleta da água e sua introdução na trincheira

(Baptista 2005).

Na Figura 6 são apresentados esquemas simplificados de trincheiras, ilustrando

diferentes modos de alimentação.

AFigura 6 - Esquema simplificado de trincheiras de infiltração e modo de alimentação e

drenagem. Fonte: Leeflang et al. (1998).

14

s vantagens da utilização deste tipo de estrutura são apresentadas a seguir (Nascimento,

1996); Graciosa (2005); Lima (2009):

Diminuição ou mesmo eliminação da microdrenagem local;

Evita a construção de rede a jusante em caso de saturação;

Redução do risco de inundação;

Redução da poluição das águas de origem pluvial;

Recarga das águas subterrâneas;

Boa adaptação ao meio ambiente urbano;

Baixo custo

Fácil construção

Em relação à redução da poluição das águas pluviais, diversos trabalhos relatam

moderadas e altas taxas de eficiência de remoção. Urbonas e Sthare (1993) relatam

percentuais de redução de 60 a 99 % para diversos poluentes, sendo de 98% a remoção de

bactérias ( procurar referencia mais atualizada, retirar urbonas ou complementar com outros

autores).

Como desvantagens em sua utilização, podemos citar:

Dificuldades de se conseguir informações sobre o seu funcionamento em longo

prazo.

Dificuldades em se obter critérios de dimensionamento.

Além disso, segundo Baptista et al.(1998) faltam informações que permitam a

avaliação de custos de instalação, manutenção e operação, o que dificulta uma avaliação do

interesse econômico de sua implantação.

A aplicabilidade desse tipo de estrutura depende de vários fatores e a escolha do local

de implantação deve obedecer a alguns critérios, apresentados a seguir (Urbonas e Stahre,

1993):

Profundidade mínima sazonal do lençol freático e da camada impermeável a

pelo menos 1,2m de profundidade;

15

Classificação do solo nas categorias A e B do Soil Conservation Service ou

taxa de infiltração do solo saturado igual ou maior que 8 mm/h.

Não devem ser instaladas sobre aterros ou em terrenos de grande declividade;

Adequadas para pequenas áreas de drenagem, com lotes de pequenas

dimensões;

5.0- PAVIMENTO PERMEÁVEL E DRENAGEM URBANA

Pavimento permeável é um dispositivo de infiltração no qual o escoamento superficial

é desviado para dentro de um reservatório de pedras localizado sob a superfície do terreno

(Urbonas e Stahre, 1993; Freni et al., 2010).

A sua utilização em áreas urbanas visa reduzir a área drenada superficialmente,

melhorar a qualidade da água e contribuir para o aumento da recarga da água subterrânea

(Collins et al., 2007; Kuang et al., 2011).

Superfícies composta por revestimentos como concreto poroso, asfalto poroso e blocos

intertravados (vazados ou não vazados) são alternativas contidas nos conceitos das BMPs

“Best Management Pratices” que visam retomar ou aproximar as condições de infiltração do

solo àquelas situações de pré-ocupação do solo (Bean et al., 2004), ou seja, o uso dessas

alternativas busca compensar os efeitos da ocupação do solo gerado pela urbanização.

Segundo Tucci (2009), os pavimentos permeáveis são compostos por duas camadas

de agregados, uma de agregado fino ou médio e outra de agregado graúdo mais a camada de

pavimento permeável propriamente dito.

A água proveniente do escoamento se infiltra rapidamente na capa ou revestimento

poroso (espessura de 5 a 10 cm), passa por um filtro de agregado e vai para uma camada ou

reservatório de pedras mais profundo com agregados de 3,8 a 7,6 cm de diâmetro. A camada

de revestimento permeável somente age como um conduto rápido para o escoamento chegar

ao reservatório de pedras subterrâneo (Araújo, 2000). Basicamente o pavimento permeável

age filtrando e armazenando a água de escoamento superficial diminuindo o risco de

alagamento (Scholz e Grabowiecki, 2004).

O escoamento, nesse reservatório, poderá ser coletado por tubos de drenagem e

transportado para uma saída. Assim, a camada de armazenamento dos pavimentos porosos é

16

determinada pela espessura do reservatório de pedras subterrâneo, somado ao escoamento

perdido por infiltração para o subsolo.

Segundo Baptista (2005), podem ser identificados três níveis diferentes de atuação dos

pavimentos no controle da produção do escoamento superficial:

i) pavimentos dotados de revestimentos superficiais permeáveis que possibilita a

redução da velocidade do escoamento superficial, a retenção temporária de pequenos volumes

na própria superfície do pavimento e a infiltração de parte das águas pluviais;

ii) pavimentos dotados de estrutura porosa, onde é efetuada a detenção temporária das

águas pluviais, provocando o amortecimento de vazões e a alteração no desenvolvimento

temporal nos hidrogramas;

iii) pavimentos dotados de estrutura porosa e de dispositivos de facilitação da

infiltração, onde ocorre tanto a detenção temporária das águas pluviais como também a

infiltração de parte delas. Obtém-se assim o amortecimento de vazões, a alteração temporal

nos hidrogramas e a redução dos volumes efetivamente escoados.

Este tipo de controle apresenta as seguintes vantagens (ECOPLUIES, 2009; Rowe et

al.,2010):

Redução do escoamento superficial previsto com relação a superfície

impermeável;

Redução dos condutos da drenagem pluvial;

Redução dos custos do sistema de drenagem pluvial e da lâmina de água de

estacionamentos e passeios;

Melhoria da qualidade da água durante o processo de infiltração;

Em relação às desvantagens, podemos citar:

Manutenção do sistema para evitar que fique colmatado com o tempo;

Maior custo direto da construção (sem considerar o benefício de redução dos

condutos);

Risco de contaminação dos aqüíferos

Atualmente, existem vários estudos referentes ao monitoramento e principalmente a

modelagem/simulação numérica de pavimentos permeáveis. Araujo et al. (2000) utilizaram

um simulador de chuvas para comparar os valores do escoamento superficial gerado por seis

17

superfícies utilizadas na pavimentação: 1) solo compactado; 2) concreto convencional; 3)

pavimento de paralelepípedo e juntas de areia; 4) pavimento com blocos de concreto e juntas

de areia; 5) blocos de concreto vazado, preenchidos com areia e 6) concreto poroso,

respectivamente. Foi utilizado um simulador de chuvas em módulo de 1m² de cada umas das

superfícies (Figura 7).

Após simular uma chuva com período de retorno de 5 anos, determinaram-se os

valores de coeficiente de deflúvio para cada superfície, sendo que o concreto poroso e os

blocos vazados apresentaram valores de escoamento superficial da ordem de 5%.

Figura 7 – Diferentes tipos de superfícies para simulação do escoamento superficial. Fonte:

Araujo et al.2000.

Estudos como os de Gilbert e Clausen (2006) e Bean et al. (2007) comparam as

diferenças entre os hidrogramas gerados por superfícies convencionais (concreto e asfalto) e

pavimentos permeáveis com superfícies em concreto poroso e asfalto poroso. Nesses estudos,

além da verificação do amortecimento da vazão efluente dos dispositivos, foi verificada

também a diferença de qualidade da água do escoamento superficial gerado por superfícies

convencionais e após passar pelos dispositivos de infiltração, os autores mostraram que os

pavimentos promovem uma melhoria nos parâmetros de qualidade, principalmente naqueles

que ficam retidos no processo de filtração da água no meio poroso.

Moura (2005) realizou um estudo de caso, em uma área de estacionamento, no qual se

procurou avaliar o impacto de geração do escoamento superficial das superfícies de asfalto,

chão batido, blocos maciços e blocos vazados em relação a superfície gramada. Os resultados

mostraram que o chão batido fez com que o coeficiente de escoamento superficial aumentasse

quase quatro vezes em relação a superfície gramada, comprovando que a retirada de

18

vegetação e compactação do solo causam impacto no escoamento superficial da bacia

hidrográfica. Quanto aos blocos maciços, o impacto do escoamento chegou a ser quase seis

vezes o da superfície gramada. Além disso, os blocos vazados foram as estruturas mais

eficientes no controle do escoamento superficial, sendo em certos casos mais eficiente que as

superfícies gramadas.

Silva et al. (2009) verificaram a eficiência de dois tipos de revestimentos permeáveis

compostos por blocos de concreto. Foram avaliadas experimentalmente: (i) revestimento com

blocos maciços e (ii) revestimento com blocos vazados. Para cada tipo de revestimento foram

instaladas parcelas de 1m², variando-se o valor da declividade longitudinal e o estado de

compactação do substrato. Parte dessas parcelas foi submetida à passagem de veículos e

recebeu aporte de sedimentos sobre sua superfície. Por meio da aplicação de chuvas artificiais

sobre as parcelas, foi possível caracterizar a evolução temporal das lâminas escoadas e

determinar os coeficientes de escoamento. A partir dos resultados obtidos, constatou-se que a

superfície com blocos vazados foi mais eficiente no controle da geração de escoamento,

mesmo para a situação em que o substrato foi compactado e para valores elevados de

declividades. Entretanto, verificou-se que o efeito da passagem de veículos, juntamente com a

deposição de sedimentos, pode provocar a perda quase total de eficiência desse tipo de

revestimento. Os resultados permitiram, também, identificar fatores que podem contribuir de

forma predominante para a produção de escoamento superficial nesses revestimentos.

Maus et al. (2007) avaliaram a eficiência de diferentes tipos de pavimentos urbanos na

infiltração de água no solo e na geração de escoamento superficial. O trabalho se deu com a

utilização de parcelas experimentais de 3 m² cada e declividade de 7 %. As superfícies

testadas foram pavimento permeável, solo gramado, paralelepípedo e asfalto. O autor

concluiu preliminarmente que a utilização de pavimento permeável reduziu em 100 % o

escoamento superficial, mostrando-se mais eficiente que o solo natural gramado o qual

apresentou redução na geração de escoamento em 97,63%.

Fassman et al. (2010) estudaram o desempenho de um pavimento permeável na cidade

Auckland, Nova Zelândia, com 35 metros de comprimento, 6 metros de largura e 48

centímetros de espessura divididos em duas camadas por um geotêxtil. A primeira camada de

23 cm de areia grossa, atuando como camada de filtração para mitigar a qualidade da água de

escoamento de superficial, a segunda camada composta por agregado graúdo de 25 mm de

diâmetro. O solo natural abaixo do pavimento era composto por um silte argiloso com

condutividade hidráulica saturada da superfície de 4 .10-9

m/s, com classificação hidrológica

19

no grupo C do Soil Consevacion Service, com CN 74. Com o monitoramento de 81 eventos de

chuvas intensas durante 3 anos, o pavimento permeável em comparação ao asfalto

convencional resultou em um amortecimento do hidrograma variando entre 19% a 82% da

vazão de pico.

Lllgen et al. (2006) construíram um módulo experimental, com superfície permeável

composta por blocos intertravados de um metro quadrado (Figura 8). O espaço entre os blocos

(juntas) possui espessura de um centímetro, a declividade do dispositivo no módulo

experimental permitia uma variação de 0 a 10 %. A precipitação pluviométrica no citado

protótipo foi gerada através de um simulador de chuvas, o qual variava a intensidade de

precipitação no intervalo de 10,8 a 360 mm/h. O revestimento era apoiado sobre uma camada

de solo de espessura de 50 cm, o qual possuía um sistema de monitoramento do conteúdo de

água do solo através da reflectometria no domínio do tempo (TRD). O volume de escoamento

superficial gerado e o volume de água drenado eram medidos por meio de uma balança de

precisão (figura 8). Além disso, foi simulado o efeito do “envelhecimento” da superfície

através de uma colmatação usando um aporte de sedimentos finos que gerassem uma

diminuição nas condições de infiltração, decorrente da utilização ao longo tempo. Para isso,

os autores utilizaram sílica na proporção de 200 a 400 g/m².

O

Os autores concluíram que para uma mesma intensidade de precipitação e para declividades

de 2,5 %, 5,0% e 7,5 %, os pavimentos permeáveis novos, ou seja, no início da operação,

apresentavam a mesma capacidade de infiltração. No entanto, a medida que ocorria um

envelhecimento ou uma colmatação decorrente da utilização da superfície ao longo do tempo,

Figura 8 – Esquema de pavimento permeável em escala de laboratório. Adaptado de

Lllgen et al.(2006).

20

neste caso simulado através do incremento de pó de sílica, para uma mesma intensidade de

precipitação um aumento da declividade gerava um decréscimo na infiltração.

Além disso, os autores simularam a redistribuição da água infiltrada no solo utilizando

o programa HYDRUS – 2D, esse programa simula o transporte de água, calor e soluto em um

meio poroso. Para isso, ele resolve numericamente a equação de Richards para fluxo saturado

e não saturado.

Utilizando as condições atmosféricas como condição de contorno superior, fluxo

variável como condição de contorno inferior e o modelo de van Genutchen (1980) para a

retenção de água no solo, Lllgen et al. (2006) simularam a redistribuição de água no solo para

diversas durações.Os perfis de redistribuição da umidade no solo podem ser visualizados na

Figura 9.

Harada e Ichikawa (1994) apud Canholi (2005) avaliaram o desempenho de

pavimentos porosos compostos por camadas de turfa artificial, pavimento permeável,

cascalho e areia, com um tubo de drenagem na parte inferior, foi denominada pelos autores de

“Drainage Infiltration Strata”. O trabalho se deu através de monitoramento e simulação

numérica.

Para a análise de desempenho, os autores construíram um modelo físico integral e

utilizaram um modelo numérico baseado nas equações de Richards – Campbbell para avaliar

o desempenho do pavimento com subcamadas diferentes. Adotou-se uma chuva de projeto

padronizada pelo Sewerage Bureau of Tokio, com intensidade de pico de 50 mm/h e total

precipitado de 151,9 mm. Na análise de três cenários compostos por camadas de cascalho de

Figura 9- Evolução da redistribuição da umidade no solo para as durações de: a) 5min, b)

10 min, c) 20 min e d) 25 min. Fonte: Lllgen et al .(2006)

21

30 cm, 45 cm e 75 cm, mantendo as demais inalteradas. Os resultados demonstram

retardamento no início do escoamento entre uma e duas horas com redução no pico do

escoamento de 12 mm/h a 17 mm/h.

Um tipo de pavimento permeável que merece especial atenção é o pavimento com

revestimento de concreto poroso. Sleight et al. (2006) relataram que a primeira aplicação do

concreto poroso ocorreu no Reino Unido, em 1852. No entanto, essa tecnologia tem se

tornado cada vez mais popular, sendo denominada de concreto ecológico (Fortes et al., 2008).

Esse material também tem sido denominado de concreto pobre em finos, consistindo

essencialmente de cimento Portland, agregados, aditivo e água.

Esse material é uma mistura que apresenta elevada porcentagem de vazios de 15 a

25% e uma matriz de agregados graúdos com um mínimo de finos. Essa estrutura possibilita a

redução da película de água na sua superfície, uma vez que promove uma rápida infiltração da

mesma, reduzindo o efeito do “spray” ou do “splash”, além de promover uma boa aderência

pneu-pavimento.

Fortes et al. (2006) afirmaram que o concreto poroso possui pelo menos três vantagens

quando comparado ao concreto tradicional: redução da hidroplanagem, o que permite a

redução de acidentes, do ruído(ameniza a poluição sonora) e do efeito “spray/splash”.

Sales (2008) estudou a resistência, a porosidade e a permeabilidade de corpos de prova

formados com concreto poroso. Para verificar a eficiência deste revestimento o autor utilizou

um simulador de chuvas, simulando eventos com intensidade de precipitação de 19mm/h e

480 minutos de duração, 79,1mm/h e 60 minutos de duração e por fim 150,3mm/h e duração

de 10 minutos e 20 minutos, respectivamente. Para a intensidade de 79,1mm/h o autor obteve

uma eficiência no volume infiltrado de 73,3%. Para intensidade de 150,3 mm/h e duração de

20 minutos o escoamento demorou cerca de 16 minutos para iniciar.

Dellate (2007) sugere que o fator água cimento seja da ordem de 0,25 a 0,35 e uma

resistência a compressão aos 28 dias de 14 a 17,5 MPa. Para originar uma rolagem suave é

sugerida a utilização de agregados com diâmetro máximo de 9,5 mm (Merighi et al., 2006).

Segundo o National Concrete Pavement Technology Center (NCPTC, 2006), o consumo de

cimento Portland deve ser de 180 a 360 kg/m3.

Em estudos realizados na Espanha foram relatadas algumas vantagens de se trabalhar

com o concreto poroso, além das relacionadas a diminuição da geração de escoamento: a

melhor trabalhabilidade, diminuição da distância de frenagem dos veículos em condições

22

adversas, diminuição da intensidade de reflexos de luz nos pavimentos, entre outras (Reyes

,2002).

Os pavimentos permeáveis além de promoverem diretamente o amortecimento da água

de escoamento superficial, melhoram a qualidade das águas pluviais urbanas e atuam como

reservatório para aproveitamento da água de escoamento superficial para fins não potáveis.

Ullate – Gomes et al.(2010) mostram um estudo comparando diferentes tipos de pavimentos

permeáveis em uma área de estacionamento no norte da Espanha. Estes autores apontaram

que a água armazenada na camada de reservatório dos pavimentos permeáveis poderia suprir

a demanda de irrigação para um jardim de 10 m² de área por um período de aproximadamente

um mês.

Vários aspectos sobre os procedimentos para execução de pavimentos permeáveis

visando o amortecimento dos picos e dos volumes dos hidrogramas de escoamentos

superficial são relatados em Virgilis (2009). Na execução de projetos de pavimentos

permeáveis com blocos intertravados de concreto e concreto asfáltico poroso o autor informa

que os aspectos mais importantes a serem contemplados nesses tipos de estruturas estão

intimamente ligados a: escolha do tipo do revestimento poroso, a determinação do volume do

reservatório do ponto de vista hidráulico e hidrológico e a compatibilização destes fatores

com a resistência mecânica do conjunto às ações do trafego. Neste último caso, tanto os

aspectos ligados as características geotécnicas da base, sub-base e sub-leito devem ser

contemplados como também os fatores ligados a resistência do material do revestimento.

Holz e Tassi (2007) realizaram considerações sobre a implantação de sistemas de

drenagem não convencionais para o loteamento Monte Belo/RS, e avaliaram os custos

referentes a mão-de-obra e materiais inerentes a construção desses dispositivos. Para a

implantação de pavimentos permeáveis, trincheiras de infiltração e valo de infiltração, as

autoras mostraram que o custo desses dispositivos foram inferiores ao custo do sistema de

drenagem convencional implantado no local. Além disso, ao analisar individualmente os

custos por dispositivos, o pavimento permeável apresentou custo superior a soma dos outros

elementos de infiltração considerados. No entanto, não foram analisados aspectos difíceis de

serem quantificados como o benefício com a redução da derrapagem dos veículos o qual está

ligado a segurança no trânsito. Uma observação com relação a este trabalho é que os sistemas

não convencionais foram dimensionados com tempo de retorno de 10 anos e mesmo assim

apresentaram menor custo que o sistema tradicional o qual foi concebido para tempo de

retorno de apenas 2 anos.

23

5.1- PAVIMENTOS PERMEÁVEIS: COMPONENTES E MATERIAS UTILIZADOS

Os pavimentos tradicionais são constituídos basicamente por três camadas,

denominadas revestimento, base e sub base. Os pavimentos permeáveis, pelo fato de

possuírem as funções de infiltração, filtração e armazenamento (reservatório), incluem mais

componentes que propicie as funções acima citadas.

Esses componentes podem ser definidos da seguinte forma (Virgilis (2009):

Revestimento Poroso: Camada do pavimento permeável que está sujeita as ações

mecânicas das cargas estáticas e móveis do tráfego (concreto poroso ou concreto ecológico,

concreto asfáltico poroso, blocos intertravados (vazados e não vazados) ).

Base ou reservatório: Camada imediatamente subjacente a superfície inferior do

revestimento para aumentar a sua espessura, possui a função de armazenamento e por isso

deve ser composta com material de elevada porosidade.

Sub leito ou solo base do pavimento: Solo natural, solo reforçado ou solo melhorado

no tocante a infiltração e a resistência, responsável pela absorção da água infiltrada e pela

resistência mecânica aos esforços oriundos dos carregamentos impostos ao pavimento.

Camada de separação: Manta geotêxtil que possibilita a passagem da água de

infiltração e homogeniza o fluxo nas interfaces entre as camadas de separação. Em muitos

casos quando o pavimento possui uma camada de areia entre o revestimento e o agregado

possui a função de separação mecânica dos materiais, evitando assim que a areia ocupe os

espaços deixados entre o agregado graúdo. Ou seja, a separação é necessária para manter a

porosidade evitando o carreamento de partículas para outra camada além de manter a

integridade estrutural das camadas.

5.2- MANUTENÇÃO DOS PAVIMENTOS PERMEAVEIS

Vários autores recomendam uma limpeza periódica com escovamento e jato de ar ou

jato de água, de maneira a manter o bom desempenho do pavimento (Tucci, 2005; ACPA,

2007; CHARGER ENTERPRISES, 2007; GREENWORKS TV, 2007; Obla, 2007). Tal

manutenção se deve ao risco de colmatação da superfície do revestimento, devido ao aporte

de partículas finas provenientes de sedimentos da água de escoamento.

A velocidade do aporte de sedimentos no pavimento depende do volume de tráfego e

da existência de fonte de sedimentos próximos ao pavimento, como jardins e áreas propensas

ao carreamento de sólidos. Além disso, a presença de árvores que produzem folhas de área

foliar grande podem também dificultar a infiltração (Figura 10), uma vez que essas funcionam

como obstáculo retendo água em sua superfície fazendo com que a água que deveria infiltrar

24

se perca na interceptação e evaporação, entanto, após análises detalhadas durante este período

de monitoramento, foi observada que a principal conseqüência é a criação de uma película de

matéria orgânica gerada pela decomposição da folha criando obstáculos a infiltração, uma vez

que nas regiões em que ocorreu tal caso foi observado certo empoçamento. Neste caso

medidas simples de manutenção como varrição diária com vassouras e desagregação da

película supracitada ou da camada colmatada com ciscadores evitam esses problemas de

maneira eficaz.

Figura 10- Presença de muitas folhas na superfície do pavimento permeável.

No caso de pavimentos com blocos vazados e preenchidos com vegetação devem ser

tomados os cuidados nos períodos de corte periódico da vegetação, uma vez que os locais dos

estacionamentos livres das ações dos pneus estão sujeitas ao crescimento excessivo da

vegetação. Esse corte deve apenas promover uma diminuição da altura visando um bom efeito

paisagístico, tomando cuidado para que não ocorra a retirada da vegetação, uma vez que tal

retirada provoca danos a capacidade de infiltração do pavimento já que o solo sem vegetação

será compactado diretamente pelos veículos ficando mais sujeito as condições de

compactação.

Além disso, quando da utilização desse tipo de revestimento nas calçadas das ruas,

deve-se atentar ao fato que deve haver boa acessibilidade da população, devendo-se atender

25

aos critérios exigidos pela NBR 9050/2004 – Acessibilidade a edificações, mobiliário,

espaços e equipamentos.

6.0- MOVIMENTO DA ÁGUA NO SOLO

6.1 – SOLO, DEFINIÇÕES E PROPRIEDADES CARACTERISTICAS.

O solo pode ser definido como um sistema multicomponente, integrado pelas fases

sólida, líquida e gasosa (Prevedello, 1996). A Figura 11 ilustra de maneira esquemática os

constituintes de um solo a fim de deixar clara as relações existentes entre cada uma de suas

fases. Observa-se que o solo pode ser entendido como um sistema trifásico que permite uma

vez adotado um volume de controle, definir relações entre as massas e os volumes de seus

constituintes.

Figura 11 - O solo como um sistema trifásico. Fonte: Adaptado de Hillel (1998).

No diagrama acima, as três fases estão separadas proporcionalmente aos volumes que

ocupam, facilitando a determinação das relações entre elas. Os volumes (V) de cada fase estão

representados à esquerda e as massas (M) à direita. A quantidade Vt é o volume total de uma

amostra de solo; Vv é o volume de vazios, volume igual ao ocupado pelos poros do solo, isto

é, a soma dos volumes ocupados pelo ar e pela água; Va é o volume de ar contido numa

amostra de solo; Vl é o volume de água de uma amostra de solo; e, Vs é o volume de sólidos

de uma amostra de solo. Da mesma forma, Mt é a massa total de uma amostra de solo; Ma é a

26

massa de ar em uma amostra de solo; Ml é a massa de água em uma amostra de solo; e, Ms é

a massa de sólidos em uma amostra de solo.

Ainda utilizando o diagrama acima, podem-se definir as seguintes relações básicas

entre as fases do solo, tais relações são a massa específica das partículas, a massa específica

do solo, a porosidade, a umidade mássica e a umidade volumétrica.

A massa específica das partículas (ρs) é definida como a razão entre a massa do solo

seco e o volume das partículas ou dos sólidos. Ela independe da estrutura e do espaço poroso

do solo ocupado pela água e pelo ar, porém depende das características mineralógicas da

fração sólida, na ausência de ensaios pode-se adotar um valor médio de 2,65g/cm³,

correspondente à massa específica das partículas do quartzo em geral o mineral mais

abundante.

(1)

A massa específica do solo (ρd) é definida como a razão entre a massa do solo seco e o

volume total de uma amostra. Esta propriedade depende da estrutura, grau de compactação, e

das características de contração e expansão do solo as quais por sua vez são controladas pela

umidade (Prevedello, 1996).

( 2)

A porosidade (η) é definida como a razão entre o volume de poros (volume de ar +

volume de água) e o volume total da amostra.

(3)

A umidade gravimétrica (W) ou também denominada umidade mássica é definida

como a razão entre a massa de água e a massa do solo seco.

(4)

O conteúdo de água no solo (θ) ou também denominado umidade volumétrica é

definido como a razão entre o volume de água e o volume total de uma amostra de solo.

.

(5)

27

6.2-RELAÇÕES HÍDRICAS NO SOLO

O potencial total da água no solo representa o somatório dos trabalhos realizados

quando um volume ou massa infinitesimal de água num estado padrão é levada isotérmica,

isobárica e reversivelmente para o estado considerado no solo, sendo que a tendência

espontânea da água no solo, como de toda matéria no universo, é de sempre assumir estados

de menor energia potencial (Hillel, 1998). O potencial total de água no solo Ht é composto de

todos os potenciais que atuam na fase liquida do solo. Ele pode ser expresso em unidade de

energia por massa (J/Kg ) ou energia por volume (J /m

3) ou energia por unidade de peso

(J/N).

A maioria dos estudos que envolvem o fluxo da água no solo consideram o potencial

total como sendo o somatório dos potenciais de pressão P, matricial h e gravitacional z.

Nesses estudos, normalmente o potencial osmótico Po é desconsiderado por ser na

maioria dos solos desprezível, principalmente quando o teor de água do solo não é muito

baixo. No entanto, ele pode tornar-se importante quando ocorre a presença de membranas

semipermeáveis, como no caso de substancias orgânicas e/ou quando a concentração salina do

solo é considerada significativa (Reichardt, 1996).

A densidade de fluxo é proporcional ao gradiente de potencial. Como gradiente de

potencial (Pa m-1

) equivale a força por volume (N m

-3), pode-se dizer que o fluxo de água no

solo é o resultado de uma força que age sobre um volume de água, equivalendo ao gradiente

de potencial, tendo direção e sentido definidos.

6.2.1-FLUXO DA ÁGUA NO SOLO EM CONDIÇÕES DE SATURAÇÃO.

Darcy em 1856 realizou os primeiros estudos para quantificar a densidade de fluxo

laminar de água num meio poroso saturado. Desses estudos originou-se a equação de Darcy

(equação 6), estabelecendo que o volume de água que passa por unidade de tempo e de área

em um meio poroso é diretamente proporcional ao gradiente de potencial total e a

condutividade hidráulica saturada.

(6)

Na condição do solo saturado, o potencial total é obtido pelo somatório do potencial

gravitacional z que representa a distância entre o ponto em questão no interior do solo e o

nível de referência (geralmente tomado como sendo a superfície do solo), e do potencial de

pressão que representa a carga hidráulica ou coluna de água que atua sobre o ponto em

28

consideração. O sinal negativo da equação 6 indica que o fluxo de água se dá em direção ao

decréscimo do potencial hidráulico.

Para as condições de fluxo saturado, a condutividade hidráulica é considerada uma

constante e representa uma característica do solo e do fluido, dependendo da permeabilidade

intrínseca do solo a qual está relacionada com sua geometria porosa e com a viscosidade do

fluido que escoa a qual está intimamente ligada a temperatura.

Algumas observações devem ser realizadas quanto a aplicabilidade correta da equação

de Darcy. Segundo Tucci (2009) e Lal e Shukla (2004), a equação de Darcy é válida quando

as forças de inércia do fluido são desprezíveis em comparação as forças viscosas. Ela não é

universalmente válida para todas as condições de escoamento em meios porosos sendo

aplicável apenas para escoamento laminar e em condições que as interações solo-água não

resultem em variações na fluidez e na permeabilidade mediante a mudança de gradiente

ressaltando ainda que a supracitada equação não descreve o fluxo em um ponto particular no

solo, sendo portanto uma descrição macroscópica do fluxo de água pelo meio poroso ou uma

conseqüência do efeito global do comportamento microscópico da água.

6.2.2- FLUXO EM CONDIÇÕES DE SOLO NÃO SATURADO - A EQUAÇÃO DE RICHARDS

Em geral, o escoamento em meios porosos ocorre em condições não - saturadas. Nesse

caso, as fases líquida e gasosa interagem entre si originando fenômenos de capilaridade e

adsorção, os quais irão produzir pressões de sucção, equivalendo a um potencial negativo de

pressão, também denominado potencial matricial. Nessa condição o potencial total da água no

solo é representado pelo somatório dos potenciais gravitacional e matricial.

A relação entre o conteúdo de água no solo (umidade volumétrica) e o potencial

matricial é denominado curva de retenção de água do solo. Esta relação é uma característica

do solo, e caso a geometria do sistema não sofra variações, é possível sua utilização para

estimar o conteúdo de água do solo a partir do seu potencial matricial e vice-versa.

Conforme Hillel (1998), a razão para o decréscimo na capacidade de transmissão de

água no solo durante o seu processo de drenagem se deve á obstrução que ocorre na trajetória

original da água, quando o espaço que anteriormente continha água vai sendo ocupado por ar.

Outra importante causa na redução da condutividade hidráulica, é que o esvaziamento dos

poros se inicia pelos de maior diâmetro, e conforme a lei de Poiseullie para fluxos laminares

em tubos capilares, ela é diretamente proporcional ao quadrado do raio do tubo. Além disso, o

preenchimento dos poros com ar aumenta a quantidade de água que fica isolada e descontínua

em diversos poros do solo, dificultando ainda mais o fluxo da água.

29

Antonino et al.(2004) citam que o modelo hidráulico que descreve as

transferências de água no solo resulta da combinação das equações de conservação de massa e

de transporte (equação de Darcy) em condições isotérmicas é representado pela equação a

seguir :

( )

[ ( )

( )] (7)

com,

( )

Sendo h o potencial matricial do solo, K(θ) a condutividade hidráulica do solo, θ o conteúdo

de água no solo ( umidade volumétrica).

Essa equação, conhecida como equação de Richards, descreve o fluxo de água em

solos não saturados, demonstrando que a variação do teor de água com o tempo é igual a

variação do fluxo ao longo de uma distância.

6.2.3- CURVAS DE RETENÇÃO DA ÁGUA NO SOLO UTILIZANDO O HYDRUS 1-D

A curva de retenção representa a relação entre o potencial matricial e o conteúdo de

água presente no solo. Ela determina a quantidade de água que um solo consegue armazenar a

um certo potencial matricial, essas duas variáveis, umidade volumétrica e potencial matricial

variam principalmente com a textura e estrutura do solo, além de depender também da

conectividade e do tamanho dos poros. A figura 12 ilustra as curvas de retenção para solos

com textura 100% areia, 100% silte e 100% argila respectivamente, os parâmetros para

determinação dessas curvas foram obtidos através do software Hydrus 1.D utilizando o

software Roseta que estima a umidade volumétrica saturada, a umidade volumétrica residual e

os parâmetros de forma.

30

Figura 12 – Curvas de retenção para diferentes tipos de solo obtidas usando o Hydrus -1D.

6.2.4- PARÂMETROS DA EQUAÇÃO DE FLUXO

Os modelos para a descrição do fluxo de água no solo(Hydrus, COMSOL, UNSATH),

fundamentados na equação de Richards, necessitam do conhecimento de características

hidrodinâmicas do solo nos quais estão incluídas as relações entre a condutividade hidráulica

e a umidade volumétrica K(θ) ou o (ou potencial matricial) e a curva de retenção (relação

entre a umidade volumétrica e o potencial matricial h(θ)).

Kozeny (1927) e Carman (1937) desenvolveram modelos que buscavam relacionar

permeabilidade efetiva, saturação e potencial da água em meios porosos em função da

informação da curva granulométrica. Burdine (1953) desenvolveu teorias relacionando a

tortuosidade dos poros com a curva de retenção da água do solo. A partir desses trabalhos

foram desenvolvidas as expressões de Mualem (1976) e van Genutchen (1980) que permitem

a determinação da curva de condutividade hidráulica não saturada baseando-se na curva de

retenção.

Os modelos existentes para a estimativa da condutividade hidráulica do solo (K) em

função do teor de água (θ) ou do potencial matricial ( ) podem ser subdivididos em três

grupos: ao empírico, os macroscópicos e os estatísticos (Mualem, 1986). Os empíricos

relacionam o teor de água do solo ou potencial matricial com a condutividade hidráulica

através de equações funcionais que não tem fundamento teórico.

Os modelos macroscópicos representam uma relação analítica entre K e ou θ,

normalmente deduzida com base na integração de fenômenos microscópicos. Nesse grupo

encontram-se os modelos de Yuster (1951) e Mualem (1978), também citados por Mualem

(1986).

00,5

11,5

22,5

33,5

44,5

55,5

66,5

77,5

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

log (

h)

umidade volumétrica (cm³/cm³)

solo arenoso

solo siltoso

solo argiloso

31

Os modelos denominados estatísticos estabelecem a relação entre ou θ e a

condutividade hidráulica relativa. Nesses modelos, o solo é considerado um conjunto de poros

interconectados que conduzem água quando saturados, conforme a Lei de Pouseuille.

O modelo estatístico mais desenvolvido é o de Mualem (1976), que o testou com base

em dados de solos de diferentes lugares do mundo. A partir desse modelo, van Genutchen

(1980) desenvolveu um conjunto de equações que relaciona a curva de retenção da água no

solo com a curva de condutividade hidráulica.

Atualmente, trabalhos baseados na teoria Fractal tem sido desenvolvidos para a

estimativa dos parâmetros das equações de fluxo, Perfect et al. (1996) desenvolveram um

modelo tridimensional para um meio poroso que mostrou ajustar-se muito bem as 36 curvas

de retenção de diferentes solos. Além desses, Fuentes et al. (2005), também desenvolveram

um modelo para a determinação da condutividade hidráulica não saturada baseado nos

conceitos da geométrica fractal e nas leis de Laplace e Poiseuille.

6.3-MODELOS DE INFILTRAÇÃO

6.3.1-CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE A INFILTRAÇÃO DA ÁGUA NO SOLO

A infiltração da água no solo constitui um fenômeno complexo (Righetto, 1998; Duan

et al., 2010; Valiantzas, 2010). A infiltração é definida, como sendo a entrada descendente de

água no perfil de solo (Prevedelo, 1996; Tucci, 2004; Reichardt e Timm, 2004; Parhi et al.,

2007). Além disso, a infiltração pode ser definida como o processo pelo qual a água passa

para dentro do solo através de sua superfície em função do gradiente de potencial total da

água no solo.

Depois que a água se encontra no sistema solo, o seu movimento no sentido vertical é

fundamentalmente regido pelas forças do potencial matricial e do potencial gravitacional, os

quais são os principais responsáveis pelo gradiente de potencial total (Lal e Shukla, 2004;

Asawa, 2005)

No início do processo de infiltração, quando o solo encontra-se seco, o gradiente de

potencial total é muito grande devido a ação do potencial matricial. Durante o processo o solo

vai aumentando a sua umidade, diminuindo a importância do potencial matricial, que, na zona

de saturação anula-se (Figura 13). Por outro lado a medida que a frente de umedecimento

avança no sentido de extratos inferiores do solo, progressivamente aumenta a importância

relativa do potencial total da água no solo (Lal e Shukla, 2004).

32

Na infiltração, Righetto (1998) destaca que para tempos longos, o gradiente de

potencial gravitacional é a força predominante que causa o movimento descendente da água

no solo. Para Prevedelo (1996), quando o movimento da água ocorre por meio de macroporos,

o potencial matricial é desprezível e o gravitacional é o que governa o movimento. De

maneira geral o potencial matricial é mais importante na fase inicial do processo, enquanto o

potencial gravitacional, destaca-se na fase final da infiltração (Simunek et al., 2001).

6.3.2-COMPORTAMENTO DA INFILTRAÇÃO

Em termos gerais, a infiltração é um processo desacelerado. Começa com uma

velocidade alta que vai diminuindo gradativamente com o tempo até atingir um determinado

nível relativamente constante. Essa diminuição da velocidade é função do decréscimo do

gradiente de potencial total da água do solo na superfície. Depois de certo tempo, quando o

gradiente tende a uma estabilidade, a velocidade torna-se praticamente constante. Essa

velocidade em tempos longos converge para o valor da condutividade hidráulica saturada do

solo.

Durante o processo de infiltração, a distribuição da água em um perfil de solo

uniforme, submetida a uma pequena carga hidráulica na superfície se dá através de quatro

regiões (Figura 13).

Figura 13- Perfil de umidade no solo durante a infiltração. Adaptado de Asawa (2005).

No perfil de umedecimento do solo após um longo tempo de infiltração, distinguem-

se quatro zonas: de saturação, de transição, de transmissão e de umedecimento. A zona de

33

saturação corresponde a uma fina camada superficial em torno de 1,5 cm de espessura em que

o solo encontra-se saturado. Abaixo dessa zona de transição, segue a zona de transmissão com

grau de umidade uniforme, porém ligeiramente abaixo da saturação. Enquanto todas as outras

zonas permanecem com espessura praticamente constante, esta é aumentada continuamente

com a aplicação de água constituindo a maior parte do perfil umedecido. Essa camada é

também caracterizada por pequena variação da umidade em relação ao espaço e ao tempo. A

partir dessa zona, vem a outra onde o grau de umidade decresce rapidamente com a

profundidade, formando a zona de umedecimento. Na transição da área úmida com a seca

defini-se a frente de umedecimento, que, juntamente com a zona anterior move-se

continuamente para baixo durante o processo. A frente de umedecimento é o limite visível da

movimentação da água no solo, na qual existe elevado gradiente hidráulico devido a variação

abrupta de umidade, sendo esses mais acentuados em solos inicialmente muito secos.

O comportamento da taxa ou velocidade de infiltração e da infiltração acumulada em

função do tempo é ilustrado na Figura 14. Ao longo do tempo a velocidade de infiltração

decresce até atingir um valor aproximadamente constante. No tocante a infiltração acumulada,

a mesma cresce a velocidades variadas e decrescentes até atingir taxas praticamente

constantes, a partir do tempo em que a velocidade tende a uma estabilidade.

Figura 14- Taxa de Infiltração e infiltração acumulada para solos inicialmente seco e para o

mesmo solo inicialmente úmido. Fonte: Brandão (2006).

Um solo mais úmido terá inicialmente menor taxa de infiltração, devido a um menor

gradiente hidráulico, e mais rapidamente a taxa de infiltração se tornará constante. Na

verdade, a velocidade de infiltração é o mesmo que o fluxo de água da equação de Darcy na

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75

Infi

ltra

ção a

cum

ula

da(m

m)

Taxa d

e in

filt

raçã

o(m

m/h

)

Tempo(h)

Solo inicialmente seco

Solo inicialmente úmido

34

superfície do solo corresponde ao volume de água que infiltra na unidade de área e de tempo.

Por sua vez, a infiltração acumulada corresponde ao volume por unidade de área de água

infiltrada ao longo do tempo. Portanto, a velocidade de infiltração pode ser definida como a

derivada da infiltração acumulada em função do tempo.

Outra terminologia utilizada é a de capacidade de infiltração, que é a taxa máxima pela

qual o solo tem a capacidade de absorver água através de sua superfície, que é equivalente ao

conceito de taxa de infiltração com pequena lâmina de água sobre o terreno. Assim, ela é

função do tipo de solo, do teor de umidade existente e, conseqüentemente do tempo. Decaindo

à medida que o solo vai se tornando mais úmido, a capacidade de infiltração atinge seu valor

mínimo quando se torna igual a condutividade hidráulica para o solo superficial saturado K

(assumindo que o mesmo seja homogêneo). Na prática, como o solo no campo dificilmente

está com todos os seus vazios totalmente preenchidos com água, sempre havendo uma

quantidade residual de ar, esse valor limite é menor que K e igual a Ksat, a condutividade

hidráulica à saturação natural (Tucci, 2009).

6.3.3- O MODELO DE KOSTIAKOV

O modelo empírico de Kostiakov (1932) é descrito através da seguinte equação:

(8)

Nessa equação, I é a infiltração acumulada, K e α são constantes que dependem do

solo e das suas condições iniciais. Derivando a equação em função do tempo, encontra-se a

taxa de infiltração da água no solo.

(9)

Segundo Naet et al. (1991) e Parhi et al. (2007) os parâmetros da equação de

Kostiakov não possuem significado físico próprio e são avaliados a partir de dados

experimentais, podendo ser determinados estatisticamente.

Além disso, esse modelo apresenta como deficiência o fato da taxa de infiltração

inicial tender para infinito e a taxa de infiltração para longos valores de tempo tender a um

valor próximo de zero e não a um valor constante.

Para Rawls et al. (1996), o emprego do modelo de Kostiakov se limita a situações em

que há disponibilidade de dados de infiltração observados para a determinação dos parâmetros

da equação, assim ela não pode ser aplicada a outros tipos de solo e condições diferentes das

que os parâmetros k e α foram determinados .

35

6.3.4- O MODELO DE KOSTIAKOV-LEWIS

O modelo de Kostiakov-Lewis corrigio a deficiência da taxa de infiltração tender a

zero quando o tempo tende a infinito na equação de Kostiakov, tal modelo pode ser

representado da seguinte maneira:

(10)

(11)

Após a correção acima citada para a equação de Kostiakov, quando o tempo tende

para o infinito, a taxa de infiltração tende para if.

6.3.5- O MODELO DE HORTON

Silveira et al.(2009) citam em relação a equação de Horton(1940) que para o caso de

um solo submetido a uma precipitação sempre inferior a capacidade de infiltração, uma

relação empírica para representar o decaimento da infiltração com o tempo pode ser

representada da seguinte forma:

( ) ( ) (12)

Onde é a taxa de infiltração inicial em t = 0, é a taxa de infiltração assintótica ou

mínima o qual se aproxima de um valor constante e muito próximo a condutividade hidráulica

da saturação, β é a constante de decaimento. Uma observação é que a diferença entre a taxa

de infiltração mínima ou velocidade básica de infiltração e Ks decorre da presença de ar

aprisionado no solo e da impossibilidade de completa saturação do solo em condições de

campo. Para Righetto (1998) se o teor de umidade a montante da frente de molhamento for

constante, a equação supracitada exprime o avanço da frente em função do tempo.

Sendo a taxa de infiltração uma relação entre a variação de uma lâmina de água

infiltrada por uma variação de tempo, a infiltração acumulada pode ser definida como a

integral da equação supracitada resultando na seguinte expressão:

(13)

Nos períodos em que a intensidade de precipitação é nula, ocorre uma recuperação da

capacidade de infiltração do solo ( influenciada por fatores como temperatura, radiação solar e

tfi

f eii

tiI

1

36

velocidade do vento), para esse caso, podem ser utilizadas expressões com formato

semelhante ao da equação 12, na qual a constante de decaimento (β) passa ser substituída por

um parâmetro de recuperação da capacidade de infiltração do solo. Para mais detalhes sobre a

equação de Horton consultar Righetto (1998).

6.3.6- O MODELO DE PHILIP

A equação de Philip (1957) é um caso particular da equação de Richards, a qual a

mesma é resolvida para uma condição de contorno de saturação permanente na superfície do

solo (Silveira et al., 2009).

A partir da resolução da equação de Richards para a condição de contorno supracitada,

através de uma série de Taylor chega-se a seguinte expressão:

( )

(14)

Onde S é a sorvidade do solo que traduz a capacidade do solo absorver água por

capilaridade e depende essencialmente da variação do teor volumétrico de água entre o início

e o final da infiltração (Souza, 2005). O parâmetro A apresenta similaridade com a taxa de

infiltração básica da equação de Horton e representa os aspectos da ação da gravidade no

fenômeno de infiltração.

6.3.7- O MÉTODO BEERKAN

Um método semifísico, denominado “Beerkan” (Haverkamp et al., 1997; Braud et al.,

2005; Lassabatère et al., 2006., Souza et al ., 2008) propõe a estimativa dos parâmetros das

curvas de retenção (h) e da condutividade hidráulica em função da umidade volumétrica

K() considerando a textura e a estrutura do solo.

Nesse método, (h) e K() podem ser descritas analiticamente por cinco parâmetros:

dois de forma, m ou n e , relacionados principalmente com a textura, e três de normalização

s, Ks e hg, dependentes da estrutura do solo.

Os parâmetros de forma são obtidos a partir da curva de distribuição dos tamanhos das

partículas F(D) e da porosidade; enquanto que os parâmetros de normalização são

determinados a partir de experimentos de infiltração.

37

7.0-MATERIAIS E MÉTODOS

7.1-LOCALIZAÇÃO E CARACTERÍSTICAS DA ÁREA DE ESTUDO

O pavimento permeável foi instalado no estacionamento do Centro de Tecnologia e

Geociências / Escola de Engenharia de Pernambuco (CTG / EEP) da UFPE, cidade do Recife

situado a 8º 03’ 67” e 34º 57’ 12”, com aproximadamente 4 metros acima do nível do mar

(Figura 15). O clima na região, pela classificação de Köppen, é do tipo As’ (quente e úmido),

com estação chuvosa no período inverno, com maiores precipitações nos meses de março a

agosto onde corre 70% do total precipitado.

Figura 15 – Localização do pavimento permeável experimental.

A precipitação pluviométrica no local, no tocante a série histórica de precipitações da

estação várzea do LAMEPE no período de 1994 a 2010, apresenta uma média anual de 2173,8

mm, com mínima de 1255,4 mm e máxima de 3482,0 mm anuais. Durante o ano, os meses de

abril, maio, junho e julho são os que apresentam os maiores totais pluviométricos mensais

(Figura 16).

-340 57’ 15,12” W-080 03’ 08,67” S

38

Figura 16- Precipitação média mensal para a cidade do Recife no período 1994- 2010. Fonte

dos dados: APAC/LAMEPE

Além disso, segundo Cabral e Montenegro (2004), a evaporação anual medida em

tanques evaporimétricos na região atinge 1234,4 mm com valor máximo em dezembro (146,3

mm) para uma média mensal de 110,3mm e a umidade relativa do ar possui valor médio

mensal de 79,8%, refletindo as proximidades da região com o oceano o qual libera massas de

ar úmido que são trazidas da região da costeira do continente.

7.2- ENSAIOS DE INFILTRAÇÃO

O dimensionamento dos sistemas de infiltração requer o conhecimento de

propriedades hidráulicas do solo suporte as quais estão diretamente relacionadas com os

seguintes fatores textura, estrutura e uso do solo. No dimensionamento dos dispositivos de

infiltração, a condutividade hidráulica saturada e a lâmina ou infiltração acumulada têm sido

os parâmetros mais utilizados para quantificar os volumes de saída destes dispositivos.

Neste trabalho, optou-se por utilizar a infiltração acumulada, a qual foi obtida com a

utilização do infiltrômetro de anel simples usando a metodologia Beerkan descrita em Souza

(2005).

Nessa metodologia, inicialmente o infiltrômetro de anel simples é cravado a 1cm de

profundidade do solo com o objetivo de se evitar perdas laterais de água durante o processo

de infiltração. Com o infiltrômetro de anel simples já cravado no local onde será realizado o

ensaio, é coletada, próximo ao anel, uma amostra de solo para determinação da umidade

inicial. Essa amostra é colocada em uma lata de alumínio a qual deve ser bem vedada e

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Jan

fev

Mar

Abr

Mai

Jun

Jul

Ago

Set

Out

Nov

Dez

Pre

cip

itaç

ão m

édia

men

sal(

mm

)

Mês

39

lacrada para que mantenha as condições iniciais de umidade em que o solo se encontra no

momento inicial da realização do ensaio.

Logo após a coleta do solo, são vertidos volumes definidos de água dentro do cilindro

utilizando beckers. O tempo de medição é iniciado após ser despejado o primeiro Becker

anotando-se o tempo necessário para a infiltração de toda a água, repetindo-se esse processo

até que o registro do tempo entre as medidas se torne constante.

Atingindo então o mesmo intervalo de tempo entre medidas, de forma rápida para que

o solo não perca umidade, é retirado o infiltrômetro de anel simples e coletada mais uma

amostra de onde o infiltrômetro estava cravado. Com as amostras retiradas no início e no fim

do ensaio pode-se determinar a umidade final e inicial do solo em estudo. Para classificação e

determinação da curva granulométrica do solo é recolhida próximo ao ponto de instalação do

infiltrômetro uma amostra deformada do solo.

Para a determinação da densidade do solo foram coletadas amostras indeformadas por

meio de amostrador de solo, tipo Uhland. A Figura 17 ilustra a infiltração acumulada obtida

para a camada de solo natural ou subleito do pavimento permeável.

Figura 17- Infiltração acumulada obtida para a superfície do solo natural ou base do

pavimento permeável

7.2.1- O MÉTODO BEERKAN

Nesse método, ( ) e ( ) serão descritas, respectivamente, pelos modelos de van

Genutchen (1980) e de Brooks & Corey (1964):

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Infi

ltra

ção a

cum

ula

da(

mm

)

tempo(s)

40

(

) [ (

)

]

(15)

com

( Burdine, 1953)

e

( ) (

) (16)

Sendo θ a umidade volumétrica; θs a umidade volumétrica saturada; h o potencial

matricial; hg um valor crítico de h a partir do qual ocorre a dessaturação, conhecido como

potencial de entrada de ar; n e m são parâmetros de forma; Ks a condutividade hidráulica

saturada do solo e η o parâmetro de forma para a curva de condutividade hidráulica.

Essas funções contêm cinco parâmetros desconhecidos: dois de forma (m, n ou η) e

três parâmetros de normalização (θs, Ks, hg). Os parâmetros de forma são ligados a textura

(Haverkamp et al., 1998), enquanto que os parâmetros de normalização dependem da

estrutura dos solos.

1- Determinação dos parâmetros de forma:

Assumindo similaridade de forma entre a distribuição do tamanho das partículas F(D)

e θ (h), Haverkamp & Parlange (1986) apresentaram a seguinte equação para expressar F(D):

( ) [ (

)

]

(17)

Com

Sendo D o diâmetro da partícula, Dg o parâmetro de escala do tamanho das partículas

e M e N os parâmetros de forma da curva de distribuição do tamanho das partículas.

O índice de forma do meio (Pm) pode ser estimado a partir de M e N usando (Zatarain

et al., 2003) :

( ) (18)

Sendo κ um coeficiente definido por Fuentes et al. (1998):

( ) (19)

sendo s a dimensão fractal.

2 – Determinação dos parâmetros de normalização:

Os parâmetros de normalização (hg, Ks) são obtidos por intermédio da minimização

de I(S, Ks), ou seja, dos quadrados das diferenças entre as lâminas de água infiltrada

41

observadas e calculadas. A lâmina de água infiltrada é calculada pela equação proposta por

Haverkamp et al.(1994), válida para tempos curtos e médios.

( ) ∑ ( ( √ ))

(20)

com:

(

)

( (

)

)

sendo S a sorvidade, r o raio do cilindro; γ igual a 0,75 e β igual a 0,6.

3 – Escalas características

Durante o processo de infiltração tridimensional os fatores que podem afetar o fluxo

de entrada de água no solo, são: a geometria da fonte de água, a capilaridade e a gravidade

(Souza et al.,(2008)). Umas das formas de caracterizar esses fatores é a partir das escalas de

comprimento capilar, λc [L] ( White & Sully, 1987) e o raio característico dos poros

hidraulicamente ativos, λm [L ] (Philip, 1987) determinados, respectivamente, pelas equações:

( ) (21)

(22)

sendo σ a tensão superficial da água (0,0719 N m-1

), ρa a massa específica da água (10³ Kg m-

3), g a aceleração da gravidade (9,81 m s

-2) e δ um parâmetro de forma da difusividade

(( ⁄⁄ ), o qual foi considerado igual a 0,55 (White & Sully, 1987).

Para Souza et al.(2008) a escala de comprimento capilar representa a importância

relativa das forças capilares em relação a gravidade, quando a água é transmitida de uma fonte

através do solo, com umidade inicial θ0. O raio característico de poros define a dimensão

média dos poros que participam do processo de infiltração submetida a pressão aplicada h;

quanto maior for o raio característico,λm,maior é o efeito da gravidade em comparação ao da

capilaridade (Souza et al .(2007)).

Além disso, Souza et al .(2007) demonstram o número de poros Cλm, o qual é estimada

usando-se a lei de Poiseuille para fluxo em um tubo capilar, a partir da seguinte expressão :

(23)

Sendo μ a viscosidade dinâmica da água (0, 00089 kg m-1

s-1

).

7.3-DIMENSIONAMENTO DO PAVIMENTO PERMEAVEL

42

Para o dimensionamento do pavimento permeável, foi utilizado o balanço hídrico.

Determinou-se o volume a ser armazenado para cada duração e tempo de retorno fixo como a

diferença entre o volume de entrada (escoado) e o volume de saída (infiltrado). Para

quantificação do volume de entrada, foi utilizado o método racional, com a equação de chuvas

intensas proposta pela ACQUAPLAN para o Recife.

Para calcular o volume de entrada, usou-se a seguinte equação baseada no Método

Racional:

(24)

A equação de intensidade, duração e freqüência proposta pela ACQUAPLAN para a

cidade do Recife (Melo et al, 2006):

( ) ( )

( ) (25)

Na qual C é o coeficiente de escoamento superficial; i é a intensidade de precipitação em

mm/h; t é a duração da precipitação em minutos, e ADRE é a área de drenagem em m² e T é o

tempo de retorno em anos.

Para calcular o volume de saída usou-se a seguinte equação:

( ) e (26)

Na qual, I(t) é a infiltração acumulada em metros e AINF é a área de infiltração em m². B é a

largura do pavimento permeável em metros (m); L é o comprimento longitudinal do

pavimento permeável em metros (m);

Sendo assim, o volume a ser armazenado é a diferença entre o volume de entrada e o

volume de saída, considerando que a única forma de saída é por infiltração na base do

pavimento permeável.

Logo, para calcular o volume a ser armazenado vale a seguinte equação:

(27)

(28)

H é a espessura do pavimento permeável em m, ou melhor, é a espessura da camada de

brita que atua como reservatório do excesso da água de escoamento superficial em metros(m);

ηb é a porosidade da brita.

Para a determinação das dimensões do dispositivo de infiltração (largura,

comprimento e espessura) poderiam ter sido utilizadas técnicas de otimização, uma vez que as

43

outras varáveis são conhecidas ou determinadas através de equações já de domínio publico

(caso da intensidade de precipitação), ou determinadas a partir de ensaios específicos

(porosidade da brita, infiltração acumulada).

A solução adotada foi escolher as dimensões relativas ao comprimento longitudinal e a

largura, e calcular qual a espessura da camada de brita associada a um tempo de retorno e a

uma duração de precipitação.

Assim, combinando as equações 27 e 28 a espessura da camada de brita (H) pode ser

determinada da seguinte forma:

(

( ) )

(29)

Adotando para coeficiente de escoamento C = 0,9, chuva com duração de 6,85

minutos e tempo de retorno 2 anos, resultando em uma intensidade de precipitação

95,51mm/h, área de drenagem de 110 m², Infiltração acumulada obtida através do ensaio de

infiltração de 71,30 mm, comprimento L = 3m , largura B = 1,5 m e porosidade da brita 42%.

Obtém–se, através da equação 26, espessura da camada de brita H = 0,40 m.

Além da camada de brita, o pavimento permeável possui duas camadas de areia, sendo

uma camada acima da camada de brita e separada desta por geotêxtil, e outra embaixo da

camada de brita separa desta também por um geotêxtil e em contato com o solo. A espessura

destas camadas poderia ser incorporada nas expressões para o dimensionamento do pavimento

permeável, no entanto, optou-se em adotar dimensões construtivas para esse material, uma

vez que na literatura a espessura para esse material nos sistemas de infiltração varia entre 5 e

10 cm. Sendo assim, adotou se 5 cm de espessura para a camada superior de areia e 10 cm

para a camada de areia em contato com o solo natural. A Figura 18 ilustra a estrutura das

camadas concebidas para o pavimento permeável.

44

Figura 18– Estrutura das camadas do pavimento permeável

7.4. DESCRIÇÃO DO MÓDULO EXPERIMENTAL

No mês de junho de 2010, foi instalado um módulo experimental de pavimento

permeável no estacionamento do Centro de Tecnologia e Geociências - CTG da Universidade

Federal de Pernambuco. A Figura 19 mostra a escavação de uma vala de 3m de comprimento,

por 1,5m de largura, e 64 cm de profundidade destinada ao módulo experimental. Nota-se que

no meio da trincheira escavada existe um tubo de alumínio previsto inicialmente para o

monitoramento diário da umidade volumétrica no perfil de solo com a sonda de nêutrons. A

quebra desse equipamento impossibilitou, até o presente, seu uso para o monitoramento da

umidade.

Revestimento (blocos de concreto preenchidos com solo e

grama), espessura de 9 cm

Espessura

Areia grossa (espessura de 5 cm)

Reservatório (brita com η = 43%), espessura 40 cm

Areia grossa (espessura de 10 cm)

Subleito (solo natural)

Geotêxtil drenante

Geotêxtil drenante

45

Figura 19- Foto do espaço dimensionado para a execução do módulo experimental do

pavimento permeável

A fim de permitir o armazenamento de água no interior do pavimento vazado, o

reservatório constituído pela camada de brita 19mm, o qual se encontra intercalada entre duas

camadas de areia e dois geotêxtil denominados comercialmente de “bidim”. No tocante a este

último componente, que possui a função de filtragem e separação dos materiais ou camadas

(brita e areia), foi utilizado, mais especificamente o MacDrain TD da empresa Macaferri,o

qual é uma geomanta com espessura de 10 mm, fabricada a partir de filamentos de

polipropileno, tendo um índice de vazios em torno de 95%. Enquanto a camada de brita

possue a função de armazenamento, as camadas de areia e bidim apresentam a função de

filtragem da água que percola no interior do pavimento, evitando assim, a contaminação e

diminuição da capacidade de infiltração do solo suporte do pavimento.

Para a simulação e avaliação da eficiência do pavimento piloto, foram monitoradas

varáveis importantes que influenciam diretamente no processo de amortecimento do

escoamento superficial e na dinâmica da água no solo suporte do citado pavimento.

Foram instalados 7 tensiômetros de cápsula porosa, com a finalidade de medir o

potencial matricial de sucção ao longo do perfil de solo suporte do pavimento. Além disso, foi

instalado um tubo de acesso para sonda nêutrons, necessário para quantificar o conteúdo de

46

água do solo suporte do pavimento, através da medida da umidade volumétrica ao longo da

profundidade.

Para quantificar o volume de água que o pavimento pode armazenar, foram instalados

poços de observação dos níveis de água no interior do pavimento. A Figura 20 ilustra os

instrumentos de observação do nível de água no interior do pavimento e detalhes do material

selecionado para preenchimento do pavimento.

Figura 20 – Pavimento permeável preenchido com brita. Vista dos poços de observação

(parte de cima e de baixo da foto). Notar tubo de acesso para sonda de nêutrons no meio

Com referência à Figura 21, observa-se a camada de brita já executada na parte

esquerda da foto e esta mesma camada com o tecido geotêxtil por cima na parte direita da

figura. Em relação à Figura 22, a mesma explicita a fase final de execução do experimento no

qual é espalhada a areia (parte direita da figura) para atuar como camada filtrante e servir de

base para o revestimento, após conclusão da camada filtrante é colocado o revestimento

conforme parte direita da Figura 22, os blocos serão posteriormente preenchidos com solo e

grama.

47

Figura 22- Camada de areia sobreposta a camada de bidim (a esquerda) e execução do

revestimento em blocos intertravados de concreto vazados

A Figura 23 ilustra a execução das juntas entre os blocos intertravados. As juntas

foram preenchidas com argamassa visando garantir melhor capacidade de resistência conjunta

da pavimentação. Uma observação é que uma melhor alternativa do ponto de vista de

infiltração seria rejuntar os blocos com areia grossa, no entanto, visando uma melhor

compatibilização com o tipo de pavimento já existente no local procurou-se manter o método

construtivo existente.

Figura 21 – Pavimento permeável preenchido com brita e posteriormente execução da

camada de geotêxtil drenante

48

Figura 23 - Execução da camada do revestimento para o pavimento permeável, notar espaços

vazios a espera da grama e que as juntas foram preenchidas com argamassa.

7.5- PRECIPITAÇÃO

Em janeiro de 2011, foi instalado um pluviômetro automático de cuba basculante

(pluviógrafo) da marca HOBO, modelo RG3 (Figura 24). Quando a cuba basculante atinge a

sua capacidade, o peso da água faz com que o sistema bascule, esvazie e emita um pulso

elétrico acionando o registrador. O pluviômetro automático foi programado para realizar

leituras a cada 10 minutos, possibilitando assim, obter informações mais detalhadas sobre os

eventos de chuvas intensas.

Figura 24- Pluviômetro automático instalado ao lado do pavimento permeável.

49

Com os dados de precipitação pluviométrica obtidos, foram selecionados os eventos

mais intensos a partir da análise dos pluviogramas. Para obter a magnitude do evento e assim

analisar a eficiência do módulo experimental de pavimento permeável foi utilizada a equação

de intensidade, duração e frequência para a cidade do Recife determinada por Ramos e

Azevedo (2010), a partir de uma série de 40 anos compreendendo o período entre 1968 e 2007

para um posto instalado no Aeroporto Internacional dos Guararapes, da cidade do Recife.

A citada equação é a seguinte:

( ) (30)

Nesta expressão, T é o período de retorno em anos, t a duração da chuva em minutos, e

i a intensidade de precipitação em mm/h.

7.6-CARACTERIZAÇÃO DO SOLO (SUBLEITO) DO PAVIMENTO

Foram realizadas análises granulométricas seguindo os critérios da NBR 7181/84,

Solo – Análise Granulométrica, para caracterização do solo utilizado para preenchimento dos

blocos intertravados do revestimento e da camada do subleito do pavimento permeável. Para o

subleito, foram retiradas amostras deformadas a cada 10 cm a partir da superfície do solo

natural até atingir a profundidade de um metro. As amostras deformadas foram analisadas da

seguinte forma: para a fração mais grossa efetuo-se o peneiramento, as frações finas de argila

e silte foram determinadas por sedimentação, após dispersão com hexametafosfato de sódio,

utilizando o método do densímetro.

A Figura 25 ilustra a caracterização granulométrica do solo natural abaixo do módulo

experimental do pavimento permeável. Observa-se uma predominância dos diâmetros das

partículas na faixa de textura da areia com porcentagens sempre acima de 70 %. Além disso,

os resultados do ensaio mostraram que a percentagem de areia é maior nas profundidades

entre 30 e 40 cm.

50

Figura 25 - Curva granulométrica para a camada de revestimento e para as profundidades de

0 a 100 cm do solo natural (solo suporte ou subleito) do pavimento permeável.

Além disso, o baixo percentual de argila e silte indicam uma possível classificação

hidrológica do solo de acordo com os critérios do SCS (Soil Conservation Service) nas

categorias A ou B. No entanto, para realizar tal afirmação torna-se necessário conhecer as

características de infiltração do solo, uma vez que apenas a informação relativa à textura não é

suficiente para indicar com confiabilidade as condições de infiltração e redistribuição de água

no solo, pois além da textura ou distribuição granulométrica, a estrutura, o arranjo e a conexão

dos poros também são características que influenciam e geram subsídios para obter com

confiabilidade a informação sobre a facilidade com que a água penetra de um meio externo

para solo.

A tabela 2 apresenta a classificação textural de acordo com Embrapa (2006), a

densidade do solo e as densidades das partículas para as profundidades de 0 a 100 centímetros

dos solos do revestimento e do subleito do pavimento.

Tabela 2 - Classificação textural, massa específica do solo, massa específica das partículas do

solo e porosidade teórica para os solos do revestimento e subleito do pavimento permeável.

Profundidade

(cm)

Classificação

Textural ρs(g/cm³) ρp(g/cm³) η(%)

Revestimento Areia franca 1,1 2,66 58,64

0 - 10 Areia franca 1,33 2,64 49,62

10 -20 Areia franca 1,48 2,68 44,78

20-30 Areia franca 1,46 2,62 44,27

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,001 0,01 0,1 1 10

Po

rcenta

gem

acum

ula

da

Diâmetro das Partículas (mm)

Revestimento

Prof .0-10 cm

Prof .10-20 cm

Prof .20-30 cm

Prof .30-40 cm

Prof .40-50 cm

Prof .60-70 cm

Prof .70-80 cm

Prof .80-90 cm

Prof .90 - 100 cm

51

30-40 Areia franca 1,4 2,64 46,97

40-50 Franco arenoso 1,35 2,58 47,67

50-60 Areia franca 1,4 2,64 46,97

60-70 Areia franca 1,7 2,6 34,62

70-80 Areia franca 1,58 2,675 40,93

80-90 Areia franca 1,47 2,61 43,6%

90-100 Areia franca 1,55 2,60 40,38

7.7 – MONITORAMENTO DOS NÍVEIS DE ÁGUA NO PAVIMENTO PERMEAVEL

A partir da instalação do experimento procedeu-se com o monitoramento diário dos

níveis de água do pavimento permeável através de um sensor de nível que permitia determinar

a altura da lâmina d’água dentro dos tubos instalados. Foram monitoradas diariamente os

níveis do pavimento permeável nos meses de junho, julho e agosto de 2010. Os resultados

apresentados representavam apenas uma noção pontual no nível d’água no experimento não

deixando clara a dinâmica do processo de infiltração da água da camada de revestimento para

o reservatório e desse para o solo natural. Sendo assim, optou-se por não trabalhar com esses

dados uma vez que os mesmos não são representativos da variabilidade temporal em escala

horária dos níveis no interior do pavimento.

7.8 - MONITORAMENTO AUTOMATICO DOS NÍVEIS DE ÁGUA NO

PAVIMENTO PERMEAVEL

Os níveis de água no pavimento permeável foram monitorados com um sensor de

nível tipo transdutor de pressão da marca Levlloger (Figura 26). O transdutor de pressão mede

o nível da água baseado na variação da pressão da água, e é conectado uma central de

aquisição de dados para a coleta e o armazenamento dos dados. Para a instalação dos sensores

de nível nos poços de observação, utilizou-se uma corrente para fixar o sensor na tampa do

piezometro, tudo isto para manter a verticalidade do sensor e garantir que a água que entra no

piezômetro seja de fato a água que infiltra e fica armazenada no reservatório do pavimento.

52

Figura 26 - a)Sensor de nível utilizado para medição do nível no piezômetro do pavimento

permeável. b) Fixação do sensor de nível a tampa do piezômetro.

7.9 - MONITORAMENTO DIÁRIO DO POTENCIAL MATRICIAL DA ÁGUA NO SOLO

Nesse trabalho procurou-se monitorar o potencial matricial da água no solo de modo a

obter de forma indireta a umidade volumétrica com a curva de retenção, tal obtenção do

conteúdo de água do solo em alguns pontos do perfil ao longo do tempo no subleito do

experimento permitirá observar de maneira indireta como se dá a dinâmica da redistribuição

água no solo.

Os tensiômetros com colunas de mercúrio foram instalados a cada 15 cm, sendo o

primeiro ( T1) na transição bidim, camada de reservatório e os demais a camada 15 cm

atingindo a profundidade de 144 cm quando toma-se com nível de referência a superfície do

pavimento. Foram realizadas medições diárias (segunda a sábado) das alturas das colunas de

mercúrio para todas as profundidades demonstradas pela Figura 27.

53

Figura 27- Profundidades de instalação dos tensiometros para monitoramento do potencial

matricial do solo.

Com as leituras efetuadas, procedeu-se com o cálculo do potencial matricial da água

no solo através da seguinte expressão:

(31)

Na qual:

é a altura de coluna de mercúrio.

é a distancia vertical da cubeta em relação ao nível de referência , no caso da seção do

pavimento. Seu valor é – 85 cm.

L é a profundidade onde estão instaladas cada cápsula porosa.

é o potencial matricial de água no solo em cmH20.

No tocante ao potencial total da água no solo, o mesmo foi calculado através da

seguinte expressão:

. ψ (32)

Sendo o potencial total da água no solo em cmH20.

7.10-O HYDRUS 1-D

54

O Hydrus1D é um programa computacional que simula a dinâmica da água, o

transporte de calor e de solutos em solos saturados e não saturados, cultivados ou não.

Resolve numericamente as equações de Richards e do transporte de soluto, com o uso de

elementos finitos, e inclui modelagem inversa para estimar os parâmetros hidráulicos e de

transporte (Alves, 2009).

A rotina para a dinâmica da água em um meio poroso unidimensional, isotérmico,

parcialmente saturado é descrito por uma forma modificada da Equação de Richards( equação

33), pelo qual não se considera os efeitos da fase gasosa e do gradiente térmico no fluxo da

água.

[ (

)] (33)

Na qual, h é o potencial mátrico da água no solo, L; θ é a umidade volumétrica da

água, L³ L-3

; t é o tempo. T; x é a coordenada espacial, L; S é um termo de sumidouro, L³ L-3

T -1; α é o ângulo entre a direção do fluxo e o eixo vertical ( ou seja, α=0º para fluxo

vertical.90 ° para fluxo horizontal e 0° < α < 90° para fluxo inclinado.

As propriedades hidráulicas de um solo não saturado, θ (h) e K(h), são de maneira

geral funções não lineares do potencial mátrico ou da umidade volumétrica. O programa

HYDRUS-1D permite o uso de 5 modelos analíticos para as propriedades hídricas : Brooks e

Corey( 1966); van Genutchen (1980); Vogel e Cislerová (1988), Kosuki (1996); e Durner

(1994).

7.11-HIPÓTESES E CONSIDERAÇÕES ADOTADAS NAS SIMULAÇÕES NUMÉRICAS

UTILIZANDO O HYDRUS 1-D

Para a simulação hidráulica do escoamento superficial no pavimento permeável,

utilizou-se como condições de contorno na fronteira superior as condições atmosféricas

analisando as possibilidades de escoamento superficial e empoçamento fornecidas pelo

Hydrus 1 D-4 .Na condição de fronteira inferior foi utilizada a condição de fluxo variável ,em

função da heterogeneidade das cargas hidráulicas na camada do reservatório do pavimento

durante os eventos e também da heterogeneidade das características hidrodinâmicas do solo.

Para a análise de sensibilidade e simulação dos níveis d’água na camada do reservatório foi

utilizada a condição de contorno de drenagem livre na base do perfil.

55

No tocante a fronteira superior sujeita as condições atmosféricas foi utilizada como

variável a precipitação pluviométrica medida no local através da seleção de alguns eventos de

chuvas intensas.

Alguns cenários de simulação utilizaram-se da chuva de projeto padronizada de

acordo com os critérios do Bureau Reclamation.

A evaporação foi desprezada, uma vez que os tempos de simulação são curtos.

Utilizando o HIDRUS 1 D -4 foram simulados os seguintes cenários de estrutura e

condições de operação para o pavimento permeável :

Solo natural, com as características hidrodinâmicas idênticas a do módulo

experimental do pavimento permeável, simulando uma situação não urbanizada de

pré-desenvolvimento.

Solo natural + camada de reservatório, analisando a sensibilidade do amortecimento

do hidrograma para cada incremento da camada do reservatório, camada esta

composta por material granular (brita ou cascalho). As características hidrodinâmicas

do solo utilizada nesta simulação são as mesmas do módulo experimental instalado

para o desenvolvimento desta dissertação.

O software Hydrus 1 –D não apresenta a possibilidade da utilização de brita, cascalho

ou qualquer outro material com diâmetro das partículas superior ao de uma areia

grossa. Para suprir essa deficiência, foi utilizada no programa uma camada de areia

com porosidade igual a da brita utilizada no experimento.

Do mesmo modo que no item anterior, o Hydrus 1 - D, não apresenta a possibilidade

da utilização do revestimento em concreto. Para isso, foi realizada uma caracterização

hidráulico-hidrológica da camada de solo existente entre os espaços vazios dos blocos

intertravados de concreto.

Para todos os casos, o modelo adotado para descrever as propriedades hidráulicas do

solo foi o de van Genutchen (1980).

O Hydrus 1- D fornece um balanço hídrico para áreas unitárias. No caso do

escoamento superficial a unidade fornecida pelo software é L/T (unidade de

comprimento/unidade de tempo). Sendo assim, neste trabalho o resultado das taxas

fornecidas pelo programa serão multiplicados pela área do pavimento (4,5 m²), afim

de se obter vazões em m³/s.

56

8.0-RESULTADOS E DISCUSSÃO

8.1-PRECIPITAÇÃO PLUVIOMÉTRICA NO PERÍODO CONSIDERADO

A Figura 28 ilustra a distribuição da precipitação pluviométrica no período de junho

de 2010 a dezembro de 2010. O mês de junho apresentou um total precipitado de 540,3 mm

sendo que 75% do total precipitado desse mês ocorreu em 9 dias, mais precisamente entre os

dias 11/01/2010 e 20/06/2010 com total precipitado de 410,4 mm . Observa-se um pico de

150 mm no dia 18/06/2010, antecedido de duas precipitações diárias de 82 mm e 116 mm de

precipitação respectivamente. Esses dados foram utilizados para correlacioná-los com as

medições diárias do nível d’água no pavimento permeável. No apêndice desse trabalho estão

disponibilizados os citados níveis com sua respectivas precipitações diárias.

Figura 28 – Evolução da precipitação pluviométrica para o período de junho de 2010 a

dezembro de 2010 para a estação Várzea-Lamepe.

8.2-ANÁLISE DA SENSIBILIDADE DO DIMENSIONAMENTO

A Figura 29 ilustra a espessura da camada de agregado graúdo requerida para tempos

de retorno de 2, 5, 10 e 20 anos e para durações da chuva de projeto de até 120 minutos.

Observa-se que a diferença entre as curvas, ou melhor, a diferença entre as espessuras

mínimas requeridas para uma mesma duração diminui com o incremento do tempo de retorno,

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

01/06/2010 01/07/2010 01/08/2010 01/09/2010 01/10/2010 01/11/2010 01/12/2010

Prec

ipit

ação

Plu

viom

étri

ca(m

m)

Período de Observação

57

o que pode ser notado a partir da Figura 30. A importância dessa observação se dá na fase

preliminar da escolha do risco do projeto, uma vez que todo projeto de drenagem urbana,

necessariamente possui um risco de falha o qual está associado ao tempo de retorno.

Sendo assim, fica claro que o projetista, nesse caso, poderia optar por um tempo de

retorno maior que um valor médio normalmente adotado (optar por um tempo de retorno de

10 anos ao invés de 5 anos), sem necessariamente possuir um incremento demasiado no custo

que torne inviável financeiramente a solução a ser adotada.

Figura 29 - Espessura da camada de brita do pavimento permeável para durações de projeto

associadas aos tempos de retorno de 2,5 e 10 e 20 anos.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Esp

essu

ra d

a ca

mad

a d

e B

rita

(m

)

Tempo(min)

Tempo de Retorno 2 anos



Tempo de retorno 20 anos

58

Figura 30 – Incremento da espessura da camada de agregado graúdo do pavimento permeável

para durações de projeto associadas aos tempos de retorno de 2,5 e 10 e 20 anos.

8.3-CARACTERÍSTICAS DA CAMADA DO REVESTIMENTO E DO SUBLEITO DO

PAVIMENTO

A camada do revestimento apresenta elevada importância por estar diretamente sujeita

as ações mecânicas oriundas do tráfego e também , no caso dos pavimentos permeáveis, ser

responsável pela captação da água de escoamento superficial através do processo de

infiltração. Nesse contexto, o conhecimento de suas características apresenta-se de maneira

fundamental. No caso de revestimentos dos blocos intertravados preenchidos com grama, o

solo que preenche os espaços vazios necessita ser caracterizado gerando subsídios para o

conhecimento do seu comportamento hidráulico. Com relação a este trabalho, foram

contemplados a realização de ensaios de granulometria e curva de retenção além do ensaio de

infiltração usando o infiltrômetro de anel simples.

Em relação à granulometria, a Figura 25 ilustrou a distribuição granulométrica para o

solo utilizado para preenchimento da camada de revestimento do pavimento. Observou-se um

predomínio da fração areia com percentagem de 84,29% e percentagem de finos (argila e

silte), com valores de 8,68% e 7,03% respectivamente . Com relação à curva de retenção, a

Figura 31 mostra o comportamento para o solo da camada superficial do pavimento. Nota-se

que o solo apresenta umidade volumétrica de saturação de 55,5% e umidade volumétrica

residual de 8,09%.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Incr

emen

to d

a c

amad

a d

e ag

regad

o

gra

úd

o (m

)

Duração da chuva de projeto (min)

Gradiente "Tr 5 - Tr 2"

Gradiente " Tr 10 - Tr 5 "

Gradiente " Tr 20 - Tr 10"

59

Figura 31– Curva de retenção obtida experimentalmente com a câmara de Richards para o

solo existente na camada de revestimento do pavimento permeável.

Com relação à característica de infiltração da cama de revestimento, um ensaio

utilizando a metodologia Beerkan apresentou uma lâmina infiltrada de 237,67 mm em 51,5

minutos de ensaio conforme demonstra a Figura 32. Além disso, buscando informações sobre

o potencial da superfície em gerar escoamento quando submetida a eventos de precipitação,

os dados observados oriundos dos ensaios de infiltração realizados foram ajustados aos

tradicionais modelos unidimensionais de Horton e Philip. Nesse sentido, o modelo de Horton

foi o que resultou em melhor ajuste com R² de 99,28% enquanto o modelo de Philip

apresentou um R² de 98,83%.

Os parâmetros da equação de Horton obtidos após o ajuste utilizando a ferramenta de

otimização Solver do Microsoft Excel foram os seguintes:

; e

Do mesmo modo os parâmetros de ajuste da equação de Philip obtidos através da

minimização da diferença ao quadrado entre os valores observados e calculados pelo modelo

foram os seguintes:

;

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55

Pote

nci

al M

atri

cial

(C

mH

2O

)

umidade volumétrica(cm³/cm³)

Curva de retenção - camada do revestimento

60

Figura 32 – Infiltração acumulada para a camada superficial do revestimento – Ajuste aos

modelos de Horton e de Philip.

O solo de preenchimento do bloco vazado possui elevadas taxas de infiltração, tanto

iniciais o que pode ser observado pelo da equação de Horton, quanto no final do processo o

que pode ser notado pelo parâmetro da equação de Philip e da equação de Horton.

Valores nessa ordem de grandeza para a velocidade básica de infiltração foram

também encontrados por Bean et al .(2004) que obtiveram taxas de 250mm/h para

pavimentos vazados onde se realizavam manutenções constantes e 10 mm/h para para o

revestimento de um local com tráfego pesado, intenso e sem manutenção da superfície. O

autor comparou através de uma série de ensaios as diferenças entre as taxas de infiltração para

locais sem manutenção e com manutenção. Para locais com manutenção o valor médio obtido

foi de 118 mm/h. Hunt (2009) obteve valores médios em torno de 86 mm/h atingindo um

valor máximo de 188 mm/h para superfícies permeáveis do mesmo tipo utilizado nessa

pesquisa. Importante informar que a metodologia desses trabalhos para quantificar a

capacidade de infiltração do pavimento permeável se baseia na adaptação da norma ASTM

D 3385, “Standard Test Method for Infiltratrion Rate in Field Soils Using Double - Ring

Infiltrometer”. Os autores adequaram essa norma utilizando-a para superfícies pavimentadas.

A estratégia para combater a dispersão lateral da infiltração uma vez que não se consegue

cravar o infiltrometro foi obtida vedando sua base com silicone.

Na realidade os valores de infiltração quando da caracterização do conjunto bloco

mais solo devem ser menores, uma vez que o bloco contribui com uma parcela impermeável

devendo-se, portanto, destinar esforços no tocante a trabalhos futuros para a adequação de

0

50

100

150

200

250

300

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Infi

ltra

ção

acu

mu

lad

a (m

m)

Tempo (h)

Lamina acumulada observada

ajuste ao modelo de Horton

ajuste ao modelo de Philip

61

superfícies com essas características, pois uma vez que não se consegue cravar os tradicionais

cilindros na superfícies desses revestimentos fica a dúvida sobre qual a real capacidade de

infiltração do conjunto. No entanto, além de fatores relacionados a textura, estrutura, teor de

matéria orgânica, umidade antecedente, e grau de compactação, fatores como a absorção do

bloco e percentagem do bloco ocupada pelo solo também devem ser levados em consideração.

Uma boa contribuição sobre modelos e metodologias para caracterizar de maneira

hidrodinâmica a superfície de pavimentos permeáveis pode ser vista em Kuang et al.(2011).

Além disso, foi realizada a caracterização dessa camada com a metodologia Beerkan,

tal metodologia permitiu descrever de maneira mais próxima da realidade o fenômeno

tridimensional da infiltração, apresentando vantagem em relação aos modelos de Horton e

Philip anteriormente ajustados uma vez que estes descrevem o fenômeno de infiltração em

uma escala vertical. A aplicação do Beerkan forneceu os seguintes parâmetros de distribuição

das partículas (M, N, Dg) apresentados na Tabela 3.

Tabela 3 - Parâmetros de forma da curva de distribuição das partículas.

Camada Classe do solo M N M.N Dg

Revestimento areia franca 0,277 2,767 0,76741 0,373

Topo do subleito areia franca 0,222 2,572 0,57205 0,455

20 cm do subleito areia franca 0,196 2,487 0,48738 0,468

Na Tabela 4, observa-se os valores dos parâmetros de forma ( m, n e η). Esses valores

estão de acordo com os obtidos por Souza et al.(2008) os quais obtiveram valores de 0,13;

2,31 e 9,54 para uma areia franca em uma parcela de solo no Estado da Paraíba.

Tabela 4 – Resultados do parâmetro de forma das relações h(θ) e K(θ).

Camada Classe do solo m n η

Revestimento areia franca 0,144 2,337 8,931

Topo do subleito areia franca 0,122 2,279 10,168

20 cm do subleito areia franca 0,112 2,253 10,913

Apresentam-se na Tabela 5 os valores de S, Ks, θ0, θs, hg e λm para solos da camada de

revestimento, topo do subleito e a 20 cm do subleito respectivamente. Uma análise

comparativa dessas propriedades mostra que a camada de revestimento apresenta valores de

sorvidade e principalmente de condutividade hidráulica maiores que os apresentados para as

demais camadas. No tocante ao material do subleito as camadas analisadas apresentam

62

valores muito próximos de condutividade hidráulica saturada e cerca de 4 vezes menor que o

da camada de revestimento.

Além disso, nota-se que λm ( raio característico de poros hidraulicamente funcionais)

possuem valores que acompanham o crescimento da densidade dos solos, uma vez que as

camadas apresentam densidades de 1,1, 1,39 e 1,58 g/cm ³ respectivamente. No entanto,

embora a camada de revestimento possua maior porosidade, o que é refletida pela sua

densidade, a mesma possui uma dimensão média dos poros que participam do processo de

infiltração menor que a dos solos do subleito. Esse resultado contrasta em parte com os

obtidos por Souza et al.(2008) que observaram um aumento de Ks e S com um aumento de λm

e com a diminuição das massas específicas. É importante observar que apesar de a camada de

revestimento apresentar poros de dimensão menor do que os das outras camadas, o seu

número de poros hidraulicamente ativos por unidade de área (Cλm) é cerca de 1000 vezes

maior do que o da camada de subleito e 10000 vezes maior do que o apresentado para a

profundidade de 20 cm do subleito. O menor diâmetro dos poros existentes nessa camada é

compensado pela sua elevada quantidade de modo que na saturação a vazão transportada é

maior. Isso explica o elevado valor da condutividade hidráulica saturada encontrada para essa

camada em relação às demais.

Tabela 5 – Valores de S, Ks, θs e hg obtidas através da metodologia BeerKan para as

camadas do revestimento, superfície do subleito e a 20 cm do subleito do pavimento

permeável.

Camada S(mm.s0,5

) Ks(mm/s) θ0(cm3/cm

3) θs(cm

3/cm

3) hg(m) λm(m) *Cλm

Revestimento 0,876 0,015 0,44 0,57 -

210,72

0,036 2,16.106

Topo do

subleito

0,363 0,004 0,2 0,45 -61,38 0,116 4,97.103

20 cm do

subleito

0,229 0,004 0,21 0,38 -35,72 0,196 6,11.102

*Quantidade de poros hidraulicamente ativos por unidade de área (Nº de poros/m²)

As análises das curvas de retenção calculadas pelo modelo mostram que para um

mesmo potencial matricial, a camada de revestimento apresenta maior capacidade de retenção

de água do que as camadas do subleito, sendo a diferença entre essas ultimas menor do que a

entre elas e a curva característica do solo do revestimento (Figura 33). A explicação para essa

maior capacidade de retenção d’água se deve provavelmente ao teor de matéria orgânica

63

existente na camada de revestimento, isso explica sua elevada umidade inicial θ0 (0,44

cm³/cm3) observada durante a realização do ensaio.

Figura 33 – Curva de retenção obtida pela metodologia Beerkan para as camadas do

revestimento, topo do subleito e a 20 cm de profundidade do subleito para o pavimento

permeável

Na Figura 34, observam-se as curvas de condutividade hidráulica para as camadas do

pavimento supracitadas. Na citada figura, a camada do revestimento, mesmo sem atingir o seu

estado de saturação, apresenta valores de condutividade hidráulica superiores aos Ks

apresentados pela camada do subleito, as quais apresentam Ks em torno de 14 mm/ h. No

entanto para valores de umidade volumétrica menores ou iguais a 0,45 cm³/cm³ as

condutividades dos solos do subleito apresentam maiores que para o material do revestimento.

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

22,0

24,0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

h(m

)

θ( cm³/cm³)

Revestimento

Topo do subleito

Subleito (20 cm)

64

Figura 34 – Curva de condutividade hidráulica obtida pela metodologia Beerkan para as

camadas do revestimento, topo do subleito e a 20 cm de profundidade do subleito para o

pavimento permeável.

Além disso, a Figura 35 mostra a diferença entre a curva característica apresentada

pelo Beerkan e a curva de retenção obtida experimentalmente. Tomando a curva experimental

como referência, observa-se que para cargas de sucção maiores do que 4 m a curva de

retenção calculada pelo Beerkan apresenta valores de umidade maiores do que a curva

experimental. Enquanto que para valores menores do que 4 m, a curva obtida pelo Beerkan

estima valores menores que o experimental.

0,E+00

5,E-03

1,E-02

2,E-02

2,E-02

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55

K(θ

) (m

m/s

)

θ(cm³/cm³)

Revestimento

Superfície solo

natutal

Subleito (20 cm)

65

Figura 35 – Curva característica obtida experimentalmente e estimada pela metodologia

Beerkan.

8.4-ANÁLISE DOS NÍVEIS DE ÁGUA NO DO PAVIMENTO PERMEAVEL

8.4.1-Eventos do mês de abril de 2011

O sensor de nível automático foi instalado no dia 15 de abril de 2011. Para a avaliação

do funcionamento do pavimento permeável, foram selecionados os dias de maior precipitação

total diária nos meses de abril, maio e junho de 2011. Os dias de maior total pluviométrico

foram selecionados pelo fato de se esperar uma maior alteração do armazenamento do

reservatório do pavimento nestes dias. Além disso, nos dias de maiores precipitações existe a

chance de ocorrerem as maiores intensidades de precipitação e a partir desta buscar

observações da elevação dos níveis em respostas aos eventos intensos. A Figura 36 ilustra a

precipitação total diária para o mês de abril de 2011.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

h(m

)

θ( cm³/cm³)

Curva de retenção - experimental

Curva de retenção - Beerkan

66

Figura 36- Precipitação total diária para o mês de abril de 2011.

As Figuras 37 e 38 ilustram respectivamente a precipitação acumulada e os níveis de

água no pavimento permeável em 18/04/2011. Observa-se que nos intervalo em que houve

um incremento de precipitação, os níveis de água no pavimento permeável também

responderam com um incremento dos seus valores nesse intervalo de tempo.

No primeiro trecho ascendente dos níveis, as 2 horas e 57 minutos, o nível de água era

de 34,4 centímetros. As 9 horas o nível apresentou o pico máximo de 37,9 cm, resultando em

uma taxa de ascensão média de 5,26 mm/h. Nesse período, a intensidade de precipitação

média de 1 hora e 25 minutos até as 2 horas e 6 minutos foi de 14 mm/h. Das 9 ás 17 horas

não ocorreu precipitação, o que é representado pela trecho horizontal do pluviograma e pela

ramo descendente dos níveis de água nesse período o qual apresentou uma taxa de decaimento

média de 6,04 mm/h.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

01

/04

/201

1

02

/04

/201

1

03

/04

/201

1

04

/04

/201

1

05

/04

/201

1

06

/04

/201

1

07

/04

/201

1

08

/04

/201

1

09

/04

/201

1

10

/04

/201

1

11

/04

/201

1

12

/04

/201

1

13

/04

/201

1

14

/04

/201

1

15

/04

/201

1

16

/04

/201

1

17

/04

/201

1

18

/04

/201

1

19

/04

/201

1

20

/04

/201

1

21

/04

/201

1

22

/04

/201

1

23

/04

/201

1

24

/04

/201

1

25

/04

/201

1

26

/04

/201

1

27

/04

/201

1

28

/04

/201

1

29

/04

/201

1

30

/04

/201

1

Pre

cip

itaç

ão T

ota

l D

iári

a(m

m)

Data

Precipitação-Abril de 2011

67

Figura 37- Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em

18/04/2011.


18/04/2011.

As Figuras 39 e 40 ilustram respectivamente o pluviograma e o nível de água para o

dia 19/04/2011 o qual apresentou como total precipitado no pavimento permeável 76,8 mm.

Destes, 23 mm, o equivalente a 30% do total ocorreram de 3h e 27 minutos até as 3h e 59

minutos resultando numa intensidade de precipitação de 32 mm/h e uma taxa de ascensão do

nível do pavimento de 7,875 mm/h. Além disso, 34,8 mm o equivalente a 45% do total

precipitado no dia ocorreram das 4horas as 5 horas da manhã, desta precipitação, 14,4 mm

ocorreram das 4horas e 19 min as 4horas e 33 minutos resultando num pico de precipitação de

270

275

280

285

290

295

300

305

310

315

0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24

Pre

cipit

ação

Acu

mula

da

(mm

)

Tempo(h)

Precipitação 18/05/2011

34,1

34,35

34,6

34,85

35,1

35,35

35,6

35,85

36,1

36,35

36,6

36,85

37,1

37,35

37,6

37,85

0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24

Nív

el (

cm)

Tempo

68

61,71mm/h. Resumindo, no período das 4 as 5 horas o nível de água no pavimento

apresentou uma taxa de ascensão média de 4,2 mm/h.


19/04/2011.

Figura 40 - Variação do nível de água no reservatório do pavimento permeável em

19/04/2011.

No tocante as Figuras 41 e 42, observa-se que no período de maior intensidade de

precipitação, de 12:00 as 14:00 horas o pavimento permeável não apresentou como resposta

uma elevação do nível de água neste período. Tal fato deve-se possivelmente a uma maior

resistência a infiltração da camada de solo do revestimento gerada por sedimentos e folhas de

árvores as quais geram uma colmatação da superfície. Além disso, existe o efeito da

interceptação da água pelos carros estacionados ocupando praticamente todo estacionamento

no período mais intenso do evento. Esses fatores agiram atrasando a resposta da elevação do

314319324329334339344349354359364369374379384389394

0:00 1:48 3:36 5:24 7:12 9:00 10:48 12:36 14:24 16:12 18:00 19:48 21:36 23:24

Pre

cipit

ação

Acu

mula

da

(mm

)

Tempo(h:min)


34,534,75

3535,2535,5

35,7536

36,2536,5

36,7537

37,2537,5

37,7538

38,2538,5

0:00 1:48 3:36 5:24 7:12 9:00 10:4812:3614:2416:1218:0019:4821:3623:24

Nív

el (

cm)

Tempo(h:min)

69

nível do reservatório de brita. Uma vez terminado o período mais intenso de precipitação,

possívelmente ocorreu um empoçamento da superfície cujo volume foi se infiltrando a taxas

lentas resultando na elevação do nível de água no período da 14:30 as 22:00 horas.


20/04/2011.


20/04/2011.

As Figuras 43, 44, 45 e 46 mostram a precipitação pluviométrica acumulada e o nível

de água no reservatório do pavimento permeável para os dias 29/04/2011 e 30/04/2011,

respectivamente. No tocante a precipitação do dia 29/04, observa-se um período mais intenso

394

399

404

409

414

419

424

429

434

439

444

0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24

Pre

cipit

ação

acu

mula

da(

mm

)

Tempo(h:min)

Precipitação acumulada em20/04/2011

32,9

33,15

33,4

33,65

33,9

34,15

34,4

34,65

34,9

35,15

35,4

35,65

0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24

Nív

el(c

m)

Tempo(h:min)

70

a partir das 23:30h o qual continua até a meia noite e trinta minutos do dia 30. Neste período

de aproximadamente uma hora, a intensidade média de precipitação foi 66,95 mm/h que

equivale a um tempo de retorno de aproximadamente 15 anos, resultado este obtido através da

utilização da equação proposta para o Recife por Ramos e Azevedo (2010). Observa-se que

este tempo de recorrência é muito superior ao utilizado para microdrenagem (2 a 10 anos).

Neste período onde a precipitação se apresentou de forma mais intensa, o nível de

água do pavimento permeável apresentou uma elevação de 10,08 cm o que equivale a uma

taxa de ascensão de 3,36 mm/min. Esta taxa é a máxima observada até esta data de

monitoramento.


29/04/2011.

505

510

515

520

525

0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24

Pre

cipit

ação

acu

mula

da(

mm

)

Tempo(h:min)

Precipitação acumulada 29/04/2011

71


29/04/2011.


30/04/2011.

30

32

34

36

38

40

42

44

46

0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24

Nív

el(c

m)

Tempo(h:min)

525

535

545

555

565

575

585

595

605

615

625

0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24

Pre

cipit

ação

acu

mula

da(

mm

)

Tempo(h:min)


72

Figura 46- Variação do nível do nível de água no reservatório do pavimento permeável em

30/04/2011.

8.4.2-Eventos do mês de maio de 2011

A Figura 47 ilustra a evolução da precipitação pluviométrica com o tempo para o mês

de maio de 2011. Observa-se que nos dias 01/05/2011 a 05/05/2011 ocorreram as maiores

alturas de precipitações diárias perfazendo um total de 265,8 mm nesses cinco primeiros dias

o que corresponde correspondeu a 44,27% do total mensal o qual foi 600,4 mm. Além dos

eventos acima citados, destacam-se os eventos dos dias 19, 23 e 29 de maio os quais

apresentaram precipitações pluviométricas num total de 59,8 mm, 64,4mm e 56,2 mm,

respectivamente.

30

32

34

36

38

40

42

44

46

0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24

Nív

el(c

m)

Tempo(h:min)

Nível 30/04/2011

73

Figura 47-Precipitação pluviométrica diária para o mês de maio de 2011.

No tocante ao pluviograma evento do dia 01/05/2011 (a Figura 48), observa-se dois

trechos de ascensão da precipitação sendo que o primeiro corresponde ao período mais

intenso com intensidade de precipitação de 28,89 mm/h.


01/05/2011.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

01/0

5/2

011

02

/05

/20

110

3/0

5/2

011

04/0

5/2

011

05/0

5/2

011

06/0

5/2

011

07/0

5/2

011

08/0

5/2

011

09/0

5/2

011

10/0

5/2

011

11/0

5/2

011

12

/05

/20

111

3/0

5/2

011

14

/05

/20

1115/0

5/2

011

16/0

5/2

011

17/0

5/2

011

18/0

5/2

011

19/0

5/2

011

20/0

5/2

011

21/0

5/2

011

22/0

5/2

011

23

/05

/20

112

4/0

5/2

011

25/0

5/2

011

26/0

5/2

011

27/0

5/2

011

28/0

5/2

011

29/0

5/2

011

30/0

5/2

011

31/0

5/2

011

Pre

cipit

ação

Tota

l D

iári

a(m

m)

Data

Precipitação-Maio de 2011

623

628

633

638

643

648

653

658

663

668

0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:55 12:28 14:02 15:36 17:09 18:43 20:16 21:50 23:24

Pre

cipit

ação

acu

mula

da

(mm

)

tempo(h:min)


74

Uma vez que o reservatório do pavimento permeável apresentava-se parcialmente

cheio, a taxa de recarga do pavimento é contrabalanceada pela infiltração na base do

pavimento através do solo natural, de modo que a velocidade de queda do nível para esta data

no mesmo período correspondente ao trecho mais intenso da precipitação (de meia noite a

uma hora da manhã) apresentou um valor de 0,051cm/min.

Além disso, uma vez terminada a influência da recarga do dispositivo de infiltração

nota-se uma fase de passagem da água armazenada no reservatório de brita para ao solo

natural conforme Figura 49 , uma vez que o solo no topo do subleito do pavimento apresenta-

se saturado, observa-se no período das 3h:53 min as 4:41 min uma drenagem livre com o

nível partindo de 42,7 cm para 8,4 cm respectivamente neste intervalo de tempo

correspondendo a uma taxa de infiltração de 1,19.10-2

cm/s.


01/05/2011.

O evento do dia 02/05/2011 é ilustrado pela Figura 50, o qual demonstra a evolução da

precipitação pluviométrica ao longo da data supracitada resultando em um total pluviométrico

de 58,4 mm. Além disso, observa-se que este total precipitado apresenta-se de forma

distribuída ao longo do dia o que irá resultar em variações no nível do pavimento permeável o

qual acompanha as variações da precipitação conforme a Figura 51.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:5512:2814:0215:3617:0918:4320:1621:5023:24

Nív

el(c

m)

Tempo(h:min)

Nível 01/05/2011

75


02/05/2011.

Oscilações no nível de água dentro do reservatório de pedras do pavimento permeável

para o dia 02/05/2011 podem ser notadas na Figura 51. Essas oscilações acompanham as

variações ocorridas na precipitação para este evento, apresentando queda devida a infiltração

nos trechos em que ocorre uma estabilização da precipitação, estabilização estas representado

pelas retas horizontais dos pluviogramas. Além disso, nota-se que o pavimento apresentou um

nível mínimo de 6,02 centímetros e um máximo na transição do dia 02/05 para o dia

03/05/2011 com valor de 70,42 centímetros, significando um extravasamento da seção do

pavimento.

No tocante as taxas de recessão dos níveis, o evento apresentou cinco trechos

significativos de queda do nível de água, no primeiro trecho de 00h00min as 00h22min o

nível d’água apresentou uma variação de 25,12 cm para 11,9 cm resultando em uma taxa de

recessão de 1,0. 10-2

cm/s neste período. Em relação ao segundo trecho de queda o nível

variou de 44,94cm a 11,62 cm das 04h:46min as 05h:54min resultando em uma taxa de

infiltração de 9,26.10-3cm/s , no terceiro trecho de 63,42 centímetros as 08h:51 min para

10,92 centímetros as 10h:00min, no quarto trecho o nível variou de 62,16 centímetros as 19

h:32min para 11,9 centímetros as 20 h:20 min e no quinto trecho de 62,16 centímetros as

22h:28min para 27,44 centímetros as 23 h:00 min, resultando em taxas de infiltração de

1,27.10-2

cm/s, 1,61.10-2

cm/s e 1,81.10-2

cm/s respectivamente.

660

665

670

675

680

685

690

695

700

705

710

715

720

725

730

0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:55 12:28 14:02 15:36 17:09 18:43 20:16 21:50 23:24

Pre

cipit

ação

acm

ula

da

(mm

)

tempo(h:min)


76

Em relação às taxas de ascensão dos níveis também se observam cinco trechos

significativos de incremento das cargas hidráulicas em função da recarga por infiltração da

camada superior do pavimento. No primeiro trecho de ascensão o nível variou de 11,9

centímetros as 00h: 22min para 35,56 centímetros as 00h: 32min resultando em uma taxa de

3,94. 10-2

cm/s de ascensão, no segundo trecho de ascensão os níveis variaram de 11,62

centímetros as 05h:54 min para 65,66 centímetros as 06h:27 min resultando em uma taxa de

ascensão de 1,63 cm/min.


02/05/2011.

O evento do dia 03/05/2011(Figura 52) é o terceiro de uma seqüência 3 dias

consecutivos com precipitações diárias elevadas, sendo que nos últimos dois dias o total

precipitado é de aproximadamente 100 mm chegando a 172,2 mm quando contabilizado o

evento desta data. Nota-se que a precipitação ocorreu de forma distribuída ao longo do dia,

com a máxima intensidade de precipitação ocorrendo das 09h:47 min as 09h:59 min com a

precipitação variando 7 mm em 12 minutos o que equivale a uma intensidade de 35 mm/h.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

0:00 2:02 4:04 6:07 8:09 10:12 12:14 14:16 16:19 18:21 20:24 22:26

Nív

el(c

m)

Tempo(h:min)

Nível 02/05/2011

77

Figura 52 - Precipitação pluviométrica acumulada no estacionamento do CTG-UFPE em

03/05/2011.

No período em que a intensidade de precipitação foi máxima o nível no Pavimento

permeável (PP) também foi máximo apresentando o valor de 73,2 centímetros, indicando uma

sensibilidade de resposta do dispositivo aos incrementos das taxas de precipitação na

superfície. Além disso, a Figura 53 a seguir mostra que não houve variações significativas nos

picos dos níveis ao longo desta data com taxa de ascensão apresentando o valor de 5,91.10-

2cm/s no primeiro trecho, 6,14.10

2cm/s no segundo trecho, 3,45 .10

-2 cm/s no terceiro trecho,

7,02.10-2

no quarto trecho e 6,8.10-2

cm/s no quinto trecho de incremento acentuado dos

níveis.

Em relação as taxas de infiltração, fenômeno esse descrito pelos trechos descendentes

dos níveis na Figura 53 observaram-se taxas de 1,17.10-2

cm /s para o primeiro trecho,

9,18.10-3

cm/s para o segundo trecho, 5,034.10-3

para o terceiro trecho, 8,05.10-3

cm/s para o

quarto trecho e 7,98.10-3

cm/s para o quinto trecho respectivamente.

Os valores supracitados mostram que a taxa de infiltração da superfície do dispositivo

de infiltração (parte do pavimento sujeita as condições atmosféricas) mostra-se superior a taxa

de infiltração do topo do perfil de solo suporte do pavimento permeável (parte inferior a

camada de brita e areia), mostrando que os efeitos de compactação oriundos das pressões

exercidas pelos pneus dos automóveis somados ao aporte de sedimentos e presença de folhas

na camada superior do pavimento até esta data de monitoramento não foram capazes de

720

725

730

735

740

745

750

755

760

765

770

775

780

785

790

795

800

0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:55 12:28 14:02 15:36 17:09 18:43 20:16 21:50 23:24

Pre

cipit

ação

acu

mula

da

(mm

)

tempo(h:min)


78

diminuir de maneira drástica a capacidade de infiltração desta camada a ponto de dificultar o

abastecimento das camadas inferiores da estrutura drenante.

Com efeito, a grama deve estar agindo de maneira a amortecer as ações mecânicas

supracitadas, além de também criar uma maior macroporosidade devido às ações das raízes

justificando assim a maior taxa de infiltração da superfície mesmo estando sob a influencia de

ações mecânicas dos automóveis, e da presença de outros fatores como a formação de camada

de sedimentos e a presença de folhas.

Figura 53 - Variação do nível de água a no reservatório do pavimento permeável em

03/05/2011.

O evento referente ao dia 04/05/2011 é demonstrado pela Figura 54, o total

pluviométrico referente a este dia equivale a 52,6 mm. As intensidades de precipitação mais

significativas apresentaram o valor de 28,46 mm/h, 8,4 mm/h e 21,09 mm/h, respectivamente.

Seguindo o comportamento dos níveis deste monitoramento até a presente data, observa-se

que houve uma correspondência entre as variações do nível do reservatório e as variações da

intensidade de precipitação com os níveis apresentando respostas rápidas aos incrementos de

precipitação. Além disso, nota-se um extravasamento do reservatório em vários períodos ao

longo deste dia (Figura 55), tal fato pode está ligado diretamente a ocorrência de chuvas

sucessivas hipótese esta não considerada no dimensionamento do experimento uma vez que o

volume de entrada foi determinado através do método racional e este não considera o feito de

chuvas sucessivas.

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

0:00 1:33 3:07 4:40 6:14 7:48 9:21 10:55 12:28 14:02 15:36 17:09 18:43 20:16 21:50 23:24

Nív

el(c

m)

Tempo(h:min)

Nível 03/05/2011

79


04/05/2011.


04/05/2011.

O evento referente ao dia 05/05/2011(Figura 56) apresenta uma particularidade onde

nota-se um primeiro trecho com elevada intensidade de precipitação com pequenas variações

até as 07 horas e 7 minutos e após este trecho uma estagnação da precipitação, observa-se que

houve um extravasamento do pavimento permeável e que o mesmo permaneceu cerca de 7

795

800

805

810

815

820

825

830

835

840

845

850

855

0:00 2:02 4:04 6:07 8:09 10:12 12:14 14:16 16:19 18:21 20:24 22:26

Pre

cipit

ação

acu

mula

da(

mm

)

tempo(h:min)


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

0:00 2:02 4:04 6:07 8:09 10:12 12:14 14:16 16:19 18:21 20:24 22:26

Nív

el(c

m)

Tempo( h:min)

Nível 04/05/2011

80

horas com oscilações próximas ao nível máximo. Após cessada a precipitação e após

terminada a alimentação oriunda dos pontos mais distantes que contribuem para o

experimento, nota-se um decaimento do nível basicamente exponencial e uma vez cessada a

precipitação tal decaimento se deve a drenagem livre da água do reservatório governado pela

infiltração da camada do solo natural ou solo suporte do experimento.


05/05/2011.


05/05/2011.

845

850

855

860

865

870

875

880

885

890

895

0:00 2:02 4:04 6:07 8:09 10:12 12:14 14:16 16:19 18:21 20:24 22:26

Pre

cipit

ação

acu

mula

da

(mm

)

tempo(h:min)


05

101520253035404550556065707580

0:00 2:02 4:04 6:07 8:09 10:12 12:14 14:16 16:19 18:21 20:24 22:26

Nív

el(c

m)

Tempo(h:min)

Nível 05/05/2011

81

A Figura 58 ilustra o evento referente ao dia 10/05/2011, esse dia apresentou como

total precipitado uma lâmina de 19 mm, no dia anterior tinha ocorreu um total precipitado de

21,4 mm o que favoreceu ao aumento da umidade da superfície da área de contribuição do

pavimento permeável. Nota-se que esse evento apresentou a partir das 8 horas um trecho

intenso variando de 935,4 mm para 944,6 mm as 8 horas e 46 minutos resultando em uma

intensidade de precipitação de 10,93 mm/h , esse evento mostra que o experimento possui

uma elevada sensibilidade a pequenas variações da precipitação o que pode ser demonstrado

pela correspondência entre as variações no pluviograma e os incrementos nos níveis

respondendo as variações da precipitação.


10/05/2011.

Deste modo, os níveis d’água apresentaram três trechos ascendentes com velocidades

de ascensão de 1,36 cm/min no primeiro trecho, 1,90cm/min no segundo trecho

correspondendo a uma variação de 2,38cm para 53,9 cm das 14 horas e 1 minuto as 14 horas

e 28 minutos, enquanto que no terceiro trecho ascendente os níveis apresentaram uma

variação de 5,04 cm as 20 horas e 56 minutos para 60,76 cm as 21 horas e 39 minutos

resultando em uma taxa de ascensão de 1,30 cm/min( Figura 59). Essas taxas de elevação dos

níveis apresentam muito superiores as intensidades de precipitação, além disso, é importante a

observação de que o experimento recebe como entrada não apenas a precipitação em cima de

sua área mas também uma vazão superior a área prevista no dimensionamento, de modo que

934

937

940

943

946

949

952

0:00 2:09 4:19 6:28 8:38 10:48 12:57 15:07 17:16 19:26 21:36 23:45

Pre

cipit

ação

acu

mula

da(

mm

)

tempo(h:min)


82

essas lâminas de entrada no reservatório do pavimento são proporcionais a essa elevada área

de drenagem superior aquela adotada na concepção do dispositivo.

Em relação as taxas de recessão, as lâminas d’água apresentaram para esse evento

valores de 0,44 cm/min para o período compreendido entre 11 horas e 31 minutos e 13 horas e

32 minutos com lâmina d’água variando de 55, 72 cm a 2,66 centímetros no primeiro trecho

significativo de queda, 0,16 cm/min no segundo trecho significativo de queda o qual foi

considerado das 15 horas e 17 minutos as 20 horas e 42 minutos com lâminas d’água de 54,04

e 5,46 cm respectivamente.

Em geral os fluxos de água do reservatório de brita para o solo natural apresentaram-se

menores que as taxas de infiltração do revestimento para o interior do dispositivo, Araujo

(2000) cita que a capa de revestimento do pavimento poroso deve possuir uma taxa de

infiltração típica de 3800 mm/h, nesse contexto observa-se que os valores obtidos ao longo do

monitoramento desse experimento na ordem de grandeza dessa referência, comparando por a

taxa de 1,9 cm/min (1140 mm/h) do segundo trecho de ascensão desse evento de 10/05/2011

observa-se que o mesmo apresenta-se compatível com a referência citada.


10/05/2011.

O pluviograma referente ao dia 11/05/2011 é explicitado pela Figura 60, nota-se

basicamente um primeiro trecho mais intenso entre 1 hora e 47 minutos e 2 horas e 34

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

0:00 2:09 4:19 6:28 8:38 10:48 12:57 15:07 17:16 19:26 21:36 23:45

Nív

el(c

m)

tempo(h:min)

Nível 10/05/2011

83

minutos resultando numa variação de 965,6 mm para 953,8 mm o que equivale a uma

intensidade de precipitação de 15, 06 mm/h a qual foi a mais significativa para esse evento.


11/05/2011.

Seguindo o comportamento apresentado pelo pluviograma, o reservatório do

pavimento permeável apresentou um trecho de ascensão bastante intenso partindo de um valor

de 6,58 cm as para 61,88 cm (valor máximo para esse evento) em aproximadamente 45

minutos resultando em uma velocidade de ascensão de 1,23 cm/min, além disso mesmo após

o termino da precipitação ( 7horas e 26 minutos) o reservatório de pedras do pavimento

permaneceu cerca de uma hora e 28 minutos com um patamar basicamente horizontal para

em seguida apresentar uma queda no volume armazenado pelo pavimento a uma taxa

basicamente linear ( Figura 61).

A pouca variação da lâmina d’água logo após o termino da precipitação se deve ao

aporte de água de escoamento superficial resultante da contribuição dos pontos mais distantes

da área de drenagem do estacionamento, some-se a isso, o fato de ter sido observado logo

após o experimento uma deposição de sedimentos ocasionando uma retenção da vazão que

passava sobre o pavimento gerando um certo empoçamento da superfície, de modo que a taxa

de infiltração do reservatório de pedras para o solo natural é contrabalanceada pela infiltração

da camada de revestimento para o reservatório de pedras.

Além disso, nota-se que existe uma similaridade entre os formatos da curva referente a

evolução dos níveis ao longo do dia apresentada por esse evento (11/05/2011) e aquele

952,5

955

957,5

960

962,5

965

967,5

970

972,5

975

0:00 2:09 4:19 6:28 8:38 10:48 12:57 15:07 17:16 19:26 21:36 23:45

Pre

cipit

ação

acu

mula

da

(mm

)

Tempo(h:min)


84

demonstrado para o evento correspondente ao dia 05/05/2011 indicando que o experimento

apresenta um padrão ( formato trapezoidal) ou um modelo de respostas para precipitações

com essa característica de distribuição temporal ( trecho intenso no início do evento seguido

de um patamar horizontal).


11/05/2011.

O evento correspondente ao dia 19/05/2011(Figura 62 e 63) apresentou

comportamento similar aos demais eventos que possuíam distribuição temporal de

precipitação ao longo do dia com uma sucessão de ‘patamares’ de precipitação, ou seja, dias

em que a precipitação apresentava incrementos e estabilização. Com referência ao total

precipitado essa data apresentou um total de 59,8 mm para um período de 24 horas com uma

intensidade de precipitação máxima compreendida no período das 10 horas e 16 minutos as

11 horas e 16 minutos com total precipitado de 27,2 mm nesse intervalo de tempo

correspondendo a 45,48 % do total precipitado nesse dia.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

0:00 2:09 4:19 6:28 8:38 10:48 12:57 15:07 17:16 19:26 21:36 23:45

Nív

el (

cm)

tempo (h:min)

Nível 11/05/2011

85


19/05/2011.

Nos períodos chuvosos os níveis apresentaram variação positiva, com formato

basicamente trapezoidal (Figura 63) distinguindo-se basicamente três trechos: ascensão, pico

com estabilização durante certo tempo proporcional ao período e intensidade de precipitação,

trecho de queda. Além disso, as taxas de infiltração observadas durante o período de

monitoramento apresentaram valores próximos as faixas existentes na literatura para a fração

areia, como a granulometria tanto do revestimento quanto do solo natural apresentam valores

dessa fração superiores a 70 % é possível que essa característica esteja influenciando

decisivamente na drenagem do dispositivo, quando o reservatório esta cheio ou próximo de

sua capacidade e levando em consideração que o pavimento possui um volume útil de 1,064

m³ (considerando que as camadas de areia possui a mesma porosidade da brita e também

armazenam água ou seja atuam como reservatório).

Nesse contexto, o solo abaixo da camada de reservatório apresenta-se também

armazenando água já que a evacuação do dispositivo se dá exclusivamente por infiltração no

solo, processo esse facilitado pela elevada composição de areia no perfil do pavimento

conforme demonstrado na Figura 25, justificando assim a afirmação de Silveira et al., 2009 os

quais afirmam que um “solo arenoso só é bom dreno quando está saturado.”

989

994

999

1004

1009

1014

1019

1024

1029

1034

1039

1044

1049

0:00 1:55 3:50 5:45 7:40 9:36 11:31 13:26 15:21 17:16 19:12 21:07 23:02

Pre

cipit

ação

acu

mula

da

(mm

)

Tempo(h:min)


86


19/05/2011.

Os eventos ocorridos a partir do dia 22/05/2011 não registraram os níveis na camada

do reservatório do pavimento permeável devido a falhas de armazenamento de dados do

sensor de nível.

8.4.3-Perfis de umidade volumétrica e de potencial matricial para eventos selecionados

nos meses de abril e maio de 2011.

O solo suporte do pavimento permeável deve proporcionar uma dissipação do volume

de água armazenada no dispositivo. Tal capacidade de evacuação do seu volume está

relacionada à capacidade do sistema em estar preparado para efetuar retenção dos volumes de

água de escoamento superficial gerados. Para ocorrer esse movimento é necessário que exista

uma diferença de potencial total entre dois pontos da estrutura do pavimento. Nesse sentido, a

Figura 64 ilustra o potencial matricial da água no solo dos dias 16/04/2011 a 20/04/2011,

período no qual, choveu 255,6 mm, sendo 0,2 mm para o dia 16, e 53,4 mm pra o dia 17 do

mês de abril, 44,4 mm para o dia 18, 76,8 mm e 28,6 mm para os dias 19 e 20

respectivamente.

Nota-se que o potencial matricial no solo apresenta-se cada vez menos negativo com o

decorrer dos dias indicando uma tendência do perfil a movimentar-se para a direita do gráfico

caso continue o aporte de água no reservatório do pavimento permeável.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

0:00 1:55 3:50 5:45 7:40 9:36 11:31 13:26 15:21 17:16 19:12 21:07 23:02

Nív

el (

cm)

tempo (h:min)

Nível 19/05/2011

87

Figura 64- Perfil de potencial matricial da água no solo para o período de 16/04/2011 a

20/04/2011.

No tocante ao movimento da água no solo, onde a água se desloca para um estado de

menor energia, ou seja, do maior potencial total (menos negativo) para o menor potencial total

(mais negativo), nota-se de acordo com a Figura 65 que todos os perfis apresentam

características de fluxo de drenagem até a profundidade de 69 cm (a referencia é tomada no

topo do revestimento). A partir dessa profundidade, o perfil passa a apresentar características

de ascensão capilar principalmente para os dias 16/04 e 17/04, no dia 16/04 fluxo de ascensão

capilar de 69 cm a 99 cm e fluxo de drenagem de 99 cm a 114 cm enquanto que no dia 17/04

de 69 cm a 114 cm de profundidade o movimento da água no solo mostrou-se ascendente ,

voltando a partir daí a evidenciar características de drenagem no perfil de solo.

Além disso, observa-se que em decorrência dos eventos de precipitação, a partir do dia

18/04 as camadas de 69 a 84 cm que não participavam evidenciando drenagem no perfil

passam a apresentar esse tipo de fluxo. Tal mudança de comportamento se deve

provavelmente a maior interconexão com água dos poros que participam ativamente do

processo de transporte do volume antes contido no reservatório e agora sendo encaminhado

para as camadas mais profundas, sendo natural que a camada do topo do subleito por estar

diretamente ligada a camada de reservatório apresente fluxo descendente.

É importante observar que o equipamento fornece informações pontuais (no tempo e

no espaço) do estado de energia da água no solo, podendo apresentar deficiências seja na

40

60

80

100

120

140

160

-115 -105 -95 -85 -75 -65 -55 -45 -35 -25

Pro

fundid

ade

(cm

) Potencial matricial (cmH20)

16/04/2011

17/04/2011

19/04/2011

18/04/2011

20/04/2011

88

precisão das leituras, seja pelo fato de no momento da leitura o reservatório encontrar-se cheio

ou seco, uma observação é que as leituras eram realizadas manualmente e visualmente nos

período das 15h00min horas as 17h00min horas. Claramente, mais leituras no decorrer do dia

podem detalhar mais precisamente a evolução desse processo dinâmico.

Figura 65- Perfil de potencial total da água no solo para o período de 16/04/2011 a

20/04/2011.

O perfil de umidade foi calculado através da relação biunívoca entre a umidade e

potencial matricial (curva característica ou curva de retenção da água no solo), de modo que

para isso, dispõe-se de uma curva média para uma amostra da superfície do subleito do

pavimento permeável representada pela Figura 66. Os resultados experimentais foram

ajustados ao modelo de van Genutchen (1980) com a hipótese de Mualem (1976), o ajuste se

deu através de estratégia de otimização utilizando a ferramenta solver da Microsoft Excel, o

R² obtido através desse ajuste vale 94,64%.

40

60

80

100

120

140

160

-165 -155 -145 -135 -125 -115 -105 -95 -85

Pro

fundid

ade

(cm

)

Potencial total da água no solo (cmH20)

16/04/2011

17/04/2011

18/04/2011

19/04/2011

20/04/2011

89

Figura 66- Curva característica calculada e ajustada para o topo do subleito do pavimento.

A equação obtida segundo o modelo de van Genutchen é a seguinte:

( )

( ( ) ) (34)

Através da equação 34, admitindo solo homogêneo, calcularam-se os perfis de

umidade conforme Figura 67 para as datas correspondentes ao potencias matriciais da Figura

64. De uma maneira geral, nota-se um incremento gradual do armazenamento de água no solo

para o período considerado ocorrendo um leve secamento dos dias 17 para o dia 18 de 99 cm

a 114 cm de profundidade.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

h(

cm H

20)

θ(cm³/cm³)

Curva de retenção observada

Curva de retenção ajustada

40

60

80

100

120

140

160

0,375 0,4 0,425 0,45 0,475

Pro

fundid

ade

(cm

)

Umidade volumétrica (cm³/cm³)

16/04/2011

17/04/2011

18/04/2011

19/04/2011

20/04/2011

90


20/04/2011.

Foram analisados também os comportamentos do potencial matricial, potencial total

além dos perfis de umidade volumétrica referentes ao período de 28/04/2011 a 01/05/2011 e

do período de 02/05/2011 a 06/05/2011. Esses períodos foram escolhidos por apresentarem

elevado total precipitado conforme Figuras 36 e 47 supracitadas.

Para o período de 28/04/2011 a 01/05/2011 o total precipitado foi de 161,8 mm com

precipitação máxima no dia 30/04 de 97,4 mm equivalendo a 60,24% do total precipitado. Na

Figura 68 observa-se que para esses dias praticamente não existe diferença entre os potenciais

monitorados até a profundidade de 69 cm. No entanto, a partir desta profundidade percebe-se

que houve um aumento do conteúdo de água no solo até a profundidade de 99 centímetros o

que pode ser notado pelo aumento do potencial matricial de maneira leve, porém consecutiva

no tocante aos dias monitorados, ou seja, a partir do dia 28/04/2011 o potencial matricial

passa a ficar cada vez menos negativo para o trecho citado.

Figura 68- Perfis de potencial matricial monitorados para o período de 28/04/2011 a

01/05/2011.

Com referência ao potencial total, esse período apresentou perfis de potencial (Figura

69) apresentando comportamento de drenagem das profundidades de 54 cm a 69 cm e das

profundidades de 99 cm a 144 centímetros sendo que no trecho entre 69 e 99 centímetro

ocorreu um fluxo ascendente (ascensão capilar) a partir da camada de 99 cm todos os perfis

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

-150 -125 -100 -75 -50 -25

Pro

fundid

ade

(cm

)

potencial matricial (cmH20)

28/04/2011

29/04/2011

30/04/2011

01/05/2011

91

apresentaram comportamento de fluxo descendente. É possível que tal comportamento de

ascensão capilar do trecho compreendido de 69 a 99 cm seja devido a ação das partículas

finas (argila + silte) as quais mesmo em menor proporção no solo conforme demonstrado na

análise granulométrica apresentam uma certa atividade no solo agindo e dificultando que o

perfil continue com o comportamento de drenagem. Além disso, o tensiômetro encontra-se

disposto de forma pontual de modo que o mesmo pode estar instalado ou envolto a um

pequeno “bolsão” de argila fazendo com que nessa camada ocorra essa inversão de sentido do

fluxo. Salienta-se que o ideal seria uma medida automática da umidade que permitisse o

monitoramento de sua redistribuição no solo durante o período de drenagem do reservatório.

Figura 69- Perfis de potencial total monitorados para o período de 28/04/2011 a 01/05/2011.

Com a utilização da equação 38, foram obtidos os perfis diários de umidade

volumétrica para o período de 28/04/2011 a 01/05/2011 conforme Figura 70. Observa-se um

aumento do conteúdo de água no solo até a camada de 69 cm. Essa pequena variação da

umidade notada nesse trecho demonstra o potencial da mesma em transferir água rapidamente

e voltar a um estado de umidade de “equilíbrio”.

Após esse trecho de variação, de 69 a 99 cm ocorre um aumento contínuo do teor de

água no solo notando-se um maior armazenamento no trecho correspondente as profundidades

de 69 a 84 cm, e a partir dessa profundidade leves porém crescentes deslocamentos dos perfis

de umidade volumétrica, a partir da camada de 99 cm, os dias 28/04 e 29/04 apresentam

pequena variação do teor de umidade, ocorrendo uma elevação mais preponderante dos dias

29 a 30/04 indicando que as camadas mais profundas passam a receber a influência das

40

60

80

100

120

140

-200 -180 -160 -140 -120 -100

Pro

fundid

ade

( cm

)

Potencial total ( cm H20)

28/04/2011

29/04/2011

30/04/2011

01/05/2011

92

camadas superiores ou melhor as camadas mais profundas são umedecidas pelas superiores

através do processo de redistribuição.


01/05/2011.

A Figura 71 demonstra os perfis de potencial matricial observados para o período

compreendido entre os dias 02/05/2011 e 06/05/2011. Até a profundidade de 69 cm o perfil

não apresenta diferenças significativas entre os potenciais matriciais, apresentando no fim do

período chuvoso representado pelo dia 05/05 os seus valores menos negativos, já no dia 06/05

ocorre um recuo para esquerda do perfil de potencial matricial indicando secamento do solo.

54

64

74

84

94

104

114

124

134

0,375 0,4 0,425 0,45 0,475

Pro

fundid

ade

(cm

)

Umidade volumétrica (cm³/cm³)

28/04/2011

29/04/2011

30/04/2011

01/05/2011

93

Figura 71- Perfis de potencial matricial para o período de 02/05/2011 a 06/05/2011.

No tocante aos perfis de umidade volumétrica (Figura 72), observa-se um recuo já

para o dia 06/05 indicando um secamento do subleito do pavimento e um perfil mais

adiantado para a direita demonstrando que no final ou melhor no ultimo dia com altura

significativa de chuva (dia 05/058) o perfil apresentou um aumento significativo de

armazenamento, sendo esse aumento mais significativo nas camadas de 69 a 84 cm as quais

nessa região observa-se que o a distancia entre os perfis para o dia 02/05/2011 e 06/05/2001

são maiores.

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

-145 -132,5 -120 -107,5 -95 -82,5 -70 -57,5 -45 -32,5P

rofu

ndid

ade

(cm

) potencial matricial (cmH20)

02/05/2011

03/05/2011

04/05/2011

05/05/2011

06/05/2011

94

Figura 72- Perfis calculados de umidade volumétrica para o período de 02/05/2011 a

06/05/2011.

Com relação aos perfis de potencial total (Figura 73), da mesma forma que no período

de 28/04 a 01/05, do topo do subleito até a camada de 69 cm o perfil apresenta um sentido de

fluxo de drenagem para todas as datas, invertendo o sentido para ascensão capilar no trecho

correspondente a camada de 69 a 99 centímetros, para posteriormente apresentar novamente

características de drenagem para todo o perfil de solo.

54

64

74

84

94

104

114

124

134

144

154

0,35 0,375 0,4 0,425 0,45 0,475

Pro

fundid

ade

(cm

) umidade volumétrica (cm³/cm³)

02/05/2011

03/05/2011

04/05/2011

05/05/2011

06/05/2011

95

Figura 73- Perfis de potencial total para o período de 02/05/2011 a 06/05/2011.

8.4.4-Eventos do mês de junho de 2011.

A Figura 74 a seguir ilustra a evolução da precipitação pluviométrica para o mês de

junho de 2011com total precipitado de 252 mm com média de 8, 4 mm por dia. Percebe-se

que os dias 16/06/2011 e 21/06/2011 foram os que apresentaram alturas de precipitações

diárias mais expressivas para o mês com valores de 60,6 mm e 42,4 mm respectivamente. Da

mesma forma que no fim do mês de maio, alguns dias do mês de junho também apresentaram

falhas no armazenamento dos dados, por sorte esse mês não apresentou um regime

pluviométrico de acordo com sua média histórica, de modo que no apêndice desse trabalho

encontra-se a apenas o comportamento dos níveis d’água para alguns eventos desse mês após

ser solucionada a falha de armazenamento do sensor.

54

64

74

84

94

104

114

124

134

144

154

-200 -180 -160 -140 -120 -100

Pro

fundid

ade

(cm

) Potencial total (cmH20)

02/05/2011

03/05/2011

04/05/2011

05/05/2011

06/05/2011

96

Figura 74- Precipitação pluviométrica diária para o mês de junho de 2011.

8.4.5-Eventos do mês de julho de 2011.

A Figura 75 ilustra a distribuição da precipitação pluviométrica diária para os doze

primeiro dias do mês de julho de 2011. Os dias 02, 05,09 e 12 do mês de julho foram os que

apresentaram as maiores precipitações até o período considerado com valores de 22,4 mm ,

39,8 mm , 35,2 mm e 28,8 mm respectivamente.

Observa-se que o pavimento permeável apresentou valores máximos e mínimos de

níveis proporcionais aos valores precipitados. Além disso, esse período de monitoramento

corresponde a um intervalo de tempo onde a superfície do pavimento teve sua vegetação

cortada (Figura 76), de modo que o solo para preenchimento dos blocos vazados estava

exposto às ações dos impactos das gotas das chuvas e aos efeitos mecânicos dos automóveis e

pedestres que por cima dele estacionam e circulam.

0

10

20

30

40

50

60

70

01/0

6/2

011

02/0

6/2

011

03/0

6/2

011

04/0

6/2

011

05/0

6/2

011

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011

07/0

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011

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6/2

01

109/0

6/2

011

10/0

6/2

01

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6/2

011

12/0

6/2

01

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011

14/0

6/2

01

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6/2

011

16/0

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01

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6/2

011

18/0

6/2

01

119/0

6/2

011

20/0

6/2

011

21/0

6/2

011

22/0

6/2

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23/0

6/2

011

24/0

6/2

011

25/0

6/2

011

26/0

6/2

011

27/0

6/2

011

28/0

6/2

011

29/0

6/2

011

30/0

6/2

011

Pre

cipit

ação

Tota

l D

iári

a (m

m)

Data

Precipitação - junho de 2011

97

Figura 75- Precipitação pluviométrica diária, níveis máximos diários e níveis mínimos

diários para o período correspondente a 01/07/2011 a 12/07/2011.

Figura 76- Pavimento permeável como solo sem vegetação. Período de julho de 2011.

8.5 - SIMULAÇÃO NUMÉRICA USANDO O HYDRUS 1-D

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0

10

20

30

40

50

60

Pre

cipit

ação

Diá

ria

(mm

)

Nív

eis

(cm

)

Data

Níveis máximos (cm)

Níveis mínimos ( cm)

Precipitação Diária

(mm)

98

8.5.1 - Análise de sensibilidade do Modelo a condutividade Hidráulica saturada do solo

base do pavimento.

Com os dados da granulometria do solo natural, foram realizadas utilizando o Hydrus-

1D análises de sensibilidade do modelo em relação a condutividade hidráulica saturada K da

base do perfil buscando obter informações sobre as variações dos potenciais matriciais de

saída do modelo para a partir daí obter cenários para uma melhor simulação dos níveis

medidos no pavimento.

As condições de contorno superior do perfil do solo foram as condições atmosféricas

com a superfície do solo submetido às condições de precipitação pluviométrica, escoamento

superficial e evaporação a qual foi desconsiderada. A condição de contorno inferior foi à

drenagem livre, ou seja, gradiente hidráulico unitário com fluxo na base da camada de 164 cm

do pavimento igual a condutividade hidráulica.

Utilizando como dados de entrada os referentes a Tabela 2, o Hydrus – 1D fornece as

seguintes características hidrodinâmicas para o solo natural conforme Tabela 6.

Tabela 6 – Propriedades hidrodinâmicas do solo natural estimadas pelo Hydrus 1-D a partir

do software Rosetta.

Profundidade

(cm) Θr(cm³/cm³) Θs(cm³/cm³) α(1/cm) n Ks(cm/dia)

0 - 10 0, 0545 0, 5305 0, 0304 1, 4084 227,82

10 -20 0, 0537 0, 5243 0, 0271 1, 4032 219,31

20-30 0, 0524 0, 5295 0, 0323 1, 4147 241,98

30-40 0, 0532 0, 5408 0, 0404 1, 4901 283,42

40-50 0, 0584 0, 5292 0, 0254 1, 4007 197,96

50-60 0, 0539 0, 5264 0, 0282 1, 4042 222,2

60-70 0, 0518 0, 525 0, 0299 1, 4073 235,48

70-80 0, 0518 0, 5355 0, 038 1, 4527 270,49

80-90 0, 0542 0, 5386 0, 0369 1, 4485 257,38

90-100 0, 0518 0, 5251 0, 03 1, 4074 235,60

Média 0,05357 0,53049 0,03 1, 42372 239, 164

Desvio

padrão 0, 00198944 0, 00591 0, 00498 0, 0299 25, 4173013

99

Uma vez que para fins práticos, a obtenção de informações detalhadas para o perfil

pode se tornar dispendioso ou até mesmo inviável, nesta análise de sensibilidade trabalhou-se

com as propriedades hidrodinâmicas médias do subleito.

Para a seção do pavimento dimensionada neste trabalho e representada pela Figura 27

foram utilizadas as propriedades hidráulicas do solo conforme mostra a Tabela 7. A análise

dos dados medidos neste trabalho associada a concepção do pavimentos permeáveis sugere

que a condutividade hidráulica da camada de revestimento seja elevada permitindo uma

recarga rápida do reservatório. Deste modo, adotou-se para as camadas do revestimento

condutividades hidráulicas maiores que a do solo natural como ponto de partida.

Tabela 7 – Parâmetros Hidráulicos das camadas do pavimento permeável

Camada θr θs α(cm-1

) n Ksat(cm/dia)

Revestimento 0,081 0,555 0,0441 1,5261 314,36

areia 0,0508 0,5442 0,05764 2,4905 314,36

brita 0,0339 0,43 0,0362 5,423 314,36

areia 0,0508 0,5442 0,05764 2,4905 314,36

solo natural 0,05357 0,53049 0,03 1,42472 77,68

O hydrus-1 D não prediz informações físico - hídricas para agregados graúdos como

brita, cascalho etc. Nesse contexto, adotou-se como camada referente a brita uma textura

100% arenosa com porosidade igual a das condições do experimento (η =0,43), porém

observou-se que apenas forçando a porosidade igual as condições de campo não seria

suficiente. Desta forma, aumentou-se o parâmetro de forma dessa camada no programa de

modo a criar artificialmente uma camada que representasse as características inerentes a uma

camada de reservatório.

Tanto no revestimento, quanto no solo natural, as umidades volumétricas residuais e

de saturação e as densidades foram modificadas inserindo as obtidas experimentalmente.

Condição de fronteira Superior

Para a condição de fronteira superior foram adotadas as condições atmosféricas com

precipitação no topo do perfil de solo com distribuição ao longo do tempo representado pelo

pluviograma referente ao dia 05/05/2011 já explicitado pela figura 56.

Condições iniciais:

Perfil de solo com 164 cm de espessura

Lençol freático na base do perfil.

Tempo de simulação de 1dia (1440 minutos).

100

A condição inicial adotada para a resolução da equação diferencial foi a seguinte (

Figura 77):

Figura 77- Condição inicial de potencial matricial adotada na simulação

Como resultados dessa análise, observou-se conforme Figura 78 que para o trecho

ascendente do potencial matricial no tocante a camada de revestimento não houveram

diferenças significativas para seus valores quando se promove uma reduções da condutividade

hidráulica da camada do subleito. Ou seja, o trecho ascendente dos potencias matriciais

independe da condutividade hidráulica saturada da base do pavimento quando varia-se o valor

desse parâmetro de 77,68 cm/dia a 9,71 cm/dia.

Em relação aos valores de pico do potencial matricial, a simulação demonstrou que

para a condutividade de 77,68 cm/dia obtêm-se o menor valor máximo quando comparado

com as outras condutividades avaliadas. Além disso, praticamente não existem diferenças

entre os valores máximo alcançados de potencial para as condutividades de 38,84 cm/dia,

19,42 cm/dia e 9, 71 cm/dia.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0

Pro

fundid

ade

(cm

)

potencial matricial

t=0

101

Figura 78- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada de revestimento

para diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do subleito do pavimento

Com relação ao topo do reservatório de brita ou base da camada de revestimento

(Figura 79) nota-se que após o início da precipitação ocorre um leve decréscimo dos

potenciais e decorridos cerca de 60 minutos os potenciais iniciam uma ascensão atingindo

ainda valores negativos ou de não saturação para o topo do reservatório quando se

considerada para valor de condutividade hidráulica 77,68 cm/dia. À medida que se diminui a

condutividade hidráulica verifica-se que os potencias para essa camada atingem valores

positivos com taxas de recessão proporcionais aos valores de condutividade adotadas para o

subleito.

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Pote

nci

al m

atri

cial

(cm

H2O

)

Tempo (min)

Subleito Ksat=77,68 cm/dia

Subleito Ksat= 38,84 cm/dia



102

Figura 79- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada do topo do

reservatório com diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do subleito do

pavimento

Para a base do reservatório (interface entre o fundo da camada e brita e o topo da

camada de areia) nota-se que antes de iniciar o trecho mais intenso da precipitação, ocorre

uma queda do potencial sendo esta mais brusca para o maior valor de condutividade

hidráulica de 77,68 cm/dia (Figura 80). Além disso, uma diminuição pela metade da

condutividade hidráulica (de 77,68 cm/dia para 38,84 cm/dia) ocasiona uma elevação do

potencial matricial nos caso dos valores de pico em mais que o dobro reforçando a influência

da condutividade desta camada na velocidade de ascensão dos níveis no pavimento.

O mesmo comportamento foi observado para o topo da camada do solo natural conforme

Figura 81.

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

0 200 400 600 800 1000 1200

Po

ten

cial

mat

rici

al (

cmH

20)

tempo (min)





103

Figura 80- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada da base do

reservatório diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do subleito do pavimento

Figura 81- Evolução do potencial matricial ao longo do tempo para a camada do topo do solo

natural com diferentes valores de condutividade hidráulica saturada do subleito do pavimento

Estudo de caso 1: Simulação do solo natural utilizando o Hydrus 1 D submetido a uma

chuva de projeto de tempos de retorno de 2, 5 e 10 anos.

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

0 200 400 600 800 1000 1200

Po

ten

cial

mat

rici

al (

cmH

20)

tempo (min)

Subleito Ksat= 77,68 cm/diaSubleito Ksat=38,84 cm/diaSubleito Ksat=19,42 cm/diaSubleito Ksat=9,71 cm/dia

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 200 400 600 800 1000 1200

Pote

nci

al m

atri

cial

(cm

H20)

tempo (min)

Subleito Ksat =77,68 cm/diaSubleitol Ksat=38,84 cm/diaSubleitol Ksat=19,42 cm/dia

104

Com os dados da granulometria do solo natural, foram simulados utilizando o Hydrus-

1D, o escoamento superficial gerado para as condições naturais do solo situado no local onde

foi implantado o pavimento permeável. Ou seja, o objetivo das simulações do escoamento

gerado pelo solo natural é estimar a resposta do solo natural em situações anteriores a sua

atual ocupação, em nível de bacia hidrográfica seria uma estimativa das situações anteriores

ao desenvolvimento da bacia.


com a superfície do solo submetido as condições de precipitação pluviométrica, escoamento

superficial e evaporação a qual foi desconsiderada. As condições de contorno inferiores

adotadas foram o fluxo variável e outros casos umidade volumétrica constante ( Figura 82).

Figura 82- Esquema das condições de contorno adotada para essa simulação

Inicialmente, utilizou-se uma chuva de projeto seguindo a metodologia proposta pelo

Bureau Reclamation com tempo de retorno de 2 anos e duração de 30 minutos. A umidade

volumétrica inicial do perfil de solo considerada constante de 0 a 100 centímetros foi de 10%.

105

As condições de contorno superior e inferior do perfil do solo foram às condições

atmosféricas como o solo sujeito a precipitação pluviométrica e fluxo variável na base do

perfil do solo. Com as características supracitadas, e utilizando o bloco de precipitação

demonstrada pela Figura 83 o Hydrus- 1D forneceu como saída escoamento zero.

Figura 83- Chuva de projeto com duração de 30 minutos e tempo de retorno de 2, 5, 10 e 25

anos para a cidade do Recife.

Sendo assim, buscando uma resposta diferente de zero para o escoamento, foram

alteradas as condições iniciais de umidade volumétrica do perfil do solo, alterando-a de 10 %

para 30% em todo o perfil.

A Figura 84 ilustra a simulação do hidrograma de escoamento superficial gerado pelo

Hydrus 1- D. Observa-se que para uma precipitação com tempo de retorno de 2 anos, com

total precipitado de 36,97 mm com duração 30 minutos o Hydrus fornece um hidrograma com

um pico de 1,13 litros/min seguido de outro pico gerado pelo segundo maior bloco do

precipitação com valor de 0,9 litros/min para uma área igual a do pavimento permeável que

neste caso valhe 4,5 m². Além disso, observa- se que houve um retardamento no início do

escoamento de aproximadamente 8 minutos o que indica um bom desempenho do solo em

reter o escoamento refletindo as características da sua textura e estrutura porosa.

No tocante aos volumes, observa-se que uma precipitação com total precipitado de

36,97 mm em uma área de 4,5 m² corresponde a um volume precipitado de 166,38 litros, o

volume de escoamento superficial, dado pela área do hidrograma da figura 24 vale 1,98 litros

0

1

2

3

4

5

6

7

8

2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30

Pre

cip

itaç

ão d

e p

roje

to(m

m)

Tempo(min)

chuva de projeto - Tr = 2 anos

chuva de projeto - Tr = 5 anos

chuva de projeto Tr = 10 anos

chuva de projeto Tr = 25 anos

106

resultando em um coeficiente de runnoff de aproximadamente 0, 019 para a superfície do solo

natural.

Esses pequenos valores de vazão gerado refletem tanto a baixa magnitude da

precipitação com tempo de retorno de 2 anos, assim como a baixa capacidade desse solo em

produzir escoamento, uma vez que o perfil é constituído de um solo como maior parte de sua

textura na fração areia, a qual possui como característica a presença de poros hidraulicamente

ativos fazendo com que a mesma quando saturada drene o volume precipitado com maior

rapidez.

Figura 84 – Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um solo

natural com as mesmas características do solo pavimento. Umidade volumétrica inicial de

30% e precipitação pluviométrica com tempo de retorno de 2 anos.

Além disso, a Figura 85 ilustra a redistribuição da umidade no perfil de solo natural do

pavimento permeável. Observa-se que do instante inicial (t=0) a 5 minutos decorridos do

início da precipitação, a umidade volumétrica da superfície aumentou significativamente das

condições iniciais de 30% até valores próximos a umidade de saturação. Nota-se ainda que a

umidade volumétrica da superfície atinge o valor de saturação no instante correspondente ao

pico da precipitação, decaindo com o decréscimo de água na superfície através da queda da

intensidade de precipitação.

2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30

0

5

10

15

20

25

300

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30P

reci

pit

ação

(mm

)

Esc

oam

ento

( litr

os/

min

)

Tempo(min)

Chuva de Projeto - Tr de 2 anos

Escoamento Superficial - Solo Natural - Tr 2 anos

107

Figura 85- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento permeável.

A Figura 86, ilustra o hidrograma simulado para o mesmo solo, com a condição de

umidade volumétrica inicial de 30%, alterando o tempo de retorno para 5 anos.Observa-se

inicialmente que o incremento no tempo de retorno da precipitação de 2 para 5 anos

ocasionou em um aumento no pico do hidrograma de 1,13 l/min para 2,55 litros/min, um

aumento de mais de 100% .Além disso, ocorre também uma ligeira antecipação no pico do

hidrograma de aproximadamente 0,5 minutos de um tempo de retorno de 2 para 5 anos.Um

incremento ainda maior é notado no cálculo do volume do escoamento superficial gerado,

passando de 1,98 litros para 7,24 litros.

-100

-95

-90

-85

-80

-75

-70

-65

-60

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0,29 0,34 0,39 0,44 0,49 0,54

Per

fil d

e so

lo(c

m)

Umidade Volumétrica(cm³/cm³)

Condição inicial de umidade volumétrica(cm³/cm³)

Umidade volumétrica (cm³/cm³) t= 5 min

Umidade volumétrica (cm³/cm³). T= 10 min

Umidade Volumétrica (cm³/cm³). T= 30 min


Umidade volumétrica.(cm³/cm³). T=15 min

108

Figura 86 – Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um solo



Buscando obter informações sobre a redistribuição da umidade do solo, foram

plotados na Figura 87 os perfis de umidade volumétrica simulados para as durações de 5,10,

15, 30, 45.60 e 70 minutos, além do perfil referente as condições iniciais de umidade de

30%.O objetivo desta simulação é observar as condições de umidade da superfície do solo no

decorrer na precipitação e em instantes após o seu término.Observa-se que neste caso,

decorridos 40 minutos após o final da precipitação a umidade volumétrica da superfície e dos

primeiros 20 centímetros do perfil ainda são elevadas, indicando que uma precipitação

sucessiva, ou uma precipitação futura tenderá a produzir uma resposta do escoamento

superficial de maneira mais rápida.

2,5 7,5 12,5 17,5 22,5 27,5

0

5

10

15

20

25

30

35

400

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5

Pre

cipit

ação

(mm

)

Esc

oam

ento

(l/m

in)

Tempo(min)

Precipitação de Projeto -Tr 5 anos

Escoamento Superficial - Tr 5 anos

109

Figura 87- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento permeável.

Com a intenção de observar a resposta do modelo para eventos de precipitações mais

intensas que as anteriores, e até mesmo extrapolar notando a respostas de deflúvios

superficiais para tempos de retorno maiores que o limite recomendado para micro drenagem,

foram simulados os escoamentos gerados para chuvas de projeto de tempo de retorno de 10

anos a qual é o limite superior dos tempos de recorrência adotados para micro drenagem, além

disso, buscando uma extrapolação aumentou-se o tempo de retorno para 25 anos.Os

hidrogramas gerados para tempos de retorno de 10 anos e 25 anos respectivamente são

mostrados nas Figuras 88e 89 .

Atendendo as expectativas, notou-se que aumentos dos tempos de retorno resultaram

em elevação das vazões de pico dos hidrogramas bem como no incremento do tempo de base

do mesmo, o tempo para ascensão do hidrograma para ambos os tempos de retorno foram

muito semelhantes, não se notando diferença graficamente.

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0,29 0,315 0,34 0,365 0,39 0,415 0,44 0,465 0,49 0,515 0,54

Per

il de

solo

(cm

) Umidade volumétrica (cm³/cm³).

Umidade Volumétrica (cm³/cm³). Nacondição inicial de umidade.t=0Umidade Volumétrica. (cm³/cm³). T=5 min

Umidade volumétrica (cm³/cm³). T=10 min

Umidade volumétrica (cm³/cm³) t= 15 min

Umidade volumétrica (cm³/cm³). T= 30min

Umidade volumétrica (cm³/cm³). T=45 min

Umidade volumétrica(cm³/cm³) t= 60 min


110

Figura 88- Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um solo



Figura 89- Hidrograma de escoamento superficial para uma área de 4,5 m² para um solo



0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30

0

2,5

5

7,5

10

12,5

15

17,5

20

22,5

25

27,5

30

32,5

35

37,5

4000,25

0,50,75

11,25

1,51,75

22,25

2,52,75

33,25

3,53,75

44,25

4,54,75

5

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30

Pre

cipit

ação

(mm

)

Esc

oam

ento

( li

tros/

min

)

Tempo(min)

Chuva de Projeto - Tr de 10 anos

Escoamento - Tempo de Retorno 10 anos -Solo natural

2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

5000,25

0,50,75

11,25

1,51,75

22,25

2,52,75

33,25

3,53,75

44,25

4,54,75

55,25

5,55,75

6

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30

Pre

cipit

ação

(m

m)

Esc

oam

ento

(lit

ros/

min

)

Tempo(min)

Chuva de projeto - Tr 25 anos

Escoamento superficial - Tr 25 anos

111

Uma vez simulados os escoamentos para vários tempos de retorno, buscou avaliar os

perfis de umidade resultante da infiltração gerada por precipitações com diferentes tempos de

retorno. A Figura 90 mostra que ocorre um leve incremento no perfil de umidade com o

aumento do tempo de retorno da precipitação. Como a taxa inicial de infiltração da superfície

é elevada e maior que a intensidade de precipitação mesmo para tempos de retorno elevados,

a mesma acaba governando a velocidade da redistribuição da umidade do solo porque a taxa

de infiltração seria igual nesses casos para os instantes inicias igual a intensidade de

precipitação, no entanto, como o movimento da água no interior do solo é lento, o ganho da

velocidade de redistribuição da água no solo quando se eleva o tempo de retorno não é

proporcional ou melhor não é tão grande quanto o incremento de intensidade de precipitação

quando também se eleva o tempo de recorrência. A tendência é que essa velocidade de

redistribuição tenda a uma valor constante limitado pela proporção de espaços vazios do solo.

Figura 90- Simulação da redistribuição da água no perfil de solo do pavimento permeável

para a duração de 15 minutos após o inicio da precipitação e tempos de retorno de 2 a 25

anos.

As vazões de pico obtidas através do modelo Hydrus-1D foram ajustadas em função

do tempo de retorno, obtendo boa correlação conforme Figura 91.

-22,5

-20

-17,5

-15

-12,5

-10

-7,5

-5

-2,5

0

0,3 0,325 0,35 0,375 0,4 0,425 0,45 0,475 0,5 0,525

Per

fil d

o s

olo

(cm

)

Umidade volumétrica(cm³/cm³)

Umidade volumétrica (cm³/cm³) .Duração 15 min e Tr 2 anos

Umidade volumetrica (cm³/cm³).Duração 15 min e Tr =5 anos

Umidade volumétrica (cm³/cm³). Duração 15 min e Tr = 10 anos

Umidade volumétrica (cm³/cm³).Duração 15 min e Tr= 25 anos

112

Figura 91- Ajuste das vazões de pico do hidrograma de escoamento superficial com os seus

respectivos tempos de retorno da precipitação de projeto.

Estudo de caso 2: Simulação do pavimento permeável utilizando o Hydrus 1-D

submetido a chuvas com intensidade constante para tempos de retorno de 5, 10 e 25 anos

considerando a camada do reservatório inicialmente cheia.

Para a simulação numérica do pavimento permeável foram concebidas no Hydrus 1-D

14 camadas, sendo que na verdade, apenas foram adicionadas 4 camadas ( revestimento, areia

grossa, reservatório de brita e areia grossa) com as características geométricas e

hidrodinâmicas reais as camadas do experimento, estas foram adicionadas ao solo natural

com as propriedades granulométricas referentes a Tabela 6 ou seja, com as mesmas

propriedades geométricas e hidráulico e hidrológicas do experimento.

A solução da equação de Richards requer a adoção de duas condições de contorno

(uma superior e outra inferior) além das condições iniciais de umidade.


com a superfície do solo submetido as condições de precipitação pluviométrica, escoamento

superficial e evaporação a qual foi desconsiderada uma vez que a escala (dimensão do

pavimento) é considerada pequena produzindo taxas pequenas de evapotranspiração.A

precipitação pluviométrica foi considerada com intensidade constante de precipitação para

tempos de retorno de 5,10 e 25 anos e duração de 30 minutos utilizando a equação i-d-f

proposta para o Recife por Azevedo e Ramos (2010).A condição de contorno inferior adotada

foi o fluxo variável .

y = 1,7038ln(x) - 0,1127R² = 0,9987

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

Vaz

ão d

e P

ico(l

itro

s/m

in)

Tempo de Retorno

vazão de pico simulada (l/min)

113

Para a condição inicial, adotou-se o reservatório inicialmente cheio, ou seja, com o

conteúdo de água igual a porosidade da brita com valor de 43%.Para as camadas do subleito

foi adotada a umidade inicial de 30% para todo o perfil de solo natural.

A Figura 92 ilustra os hidrogramas de escoamento superficial simulados pelo Hydrus-

1D para incrementos de tempo de retorno. Observa-se que ocorre uma antecipação de início

do escoamento superficial com o incremento do tempo de retorno da precipitação, tal fato se

dá pela saturação da camada superficial do solo pelas precipitações com maior tempo de

recorrência, fazendo com que o ramo ascendente do hidrograma se desenvolva de maneira

mais rápida para essas precipitações.

Nota-se também que os hidrogramas apresentam formato aproximadamente

trapezoidal, e que ao atingir um patamar praticamente constante ocorre um leve pico da vazão

de escoamento para cada hidrograma, sendo que os picos ocorrem em todos os casos no final

do período de precipitação que no caso é igual a 30 minutos. Além disso, observa-se que o

aumento da magnitude da precipitação ocasiona um aumento vertical dos hidrogramas e que a

partir de um certo instante, praticamente não existe diferença entre os trechos de queda para

os hidrogramas com tempos de retorno de 10 e 25 anos.

Figura 92- Hidrogramas de escoamento superficial simulado pelo Hydrus 1-D para o

pavimento permeável submetido a precipitações pluviométricas de intensidade constante com

tempos de retorno de 5,10 e 25 anos.

0 2,5

5 7,5

10

12,5

15

17,5

20

22,5

25

27,5

30

32,5

35

37,5

40

42,5

45

47,5

50

52,5

55

57,5

60

0

5

10

15

20

25

300

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Pre

cipit

ação

(mm

)

Esc

oam

ento

Super

fici

al (

litr

os/

min

)

Tempo(min)

Precipitação Tempo de Retorno5 anos



Escoamento Tempo de Retorno5 anos



114

No tocante aos volumes de escoamento superficial observa-se também um aumento

considerável uma vez que a área dos hidrogramas para tempo de retorno de 25 anos é maior

que a área do hidrograma para tempo de retorno de 10 anos a qual por sua vez é maior que

área do hidrograma para o tempo de retorno de 5 anos. Além disso, todos os hidrogramas

apresentam formas de decaimento praticamente linear, com o término do escoamento

praticamente igual para os hidrogramas com tempos de retorno de 10 e 25 anos.

9.0-CONCLUSÕES

Ao longo do período de monitoramento, o pavimento permeável apresentou elevadas

taxas de infiltração da camada de revestimento, resultando em respostas rápidas aos

incrementos de precipitação tendo como conseqüência elevadas taxas de ascensão do nível

para o reservatório (camada de brita).

Embora durante diversos eventos o pavimento permeável apresentasse

extravasamento, o solo da base apresentou elevados valores de fluxo do solo base do

pavimento (subleito) de modo que todo o reservatório conseguiu ser drenado em um período

de 24 horas, permanecendo com capacidade de drenagem suficiente para receber eventos

sucessivos.

A observação durante o período de monitoramento reforçou a necessidade de

manutenção desse tipo de pavimento permeável, uma vez que os eventos causaram à

deposição de sedimentos a jusante e diversas vezes foram necessárias a retirada da camada de

sedimentos para evitar riscos de colmatação já que para a execução deste trabalho a

observação do comportamento do experimento se deu em curto prazo, optou-se por não forçar

o funcionamento nas condições de superfície colmatada, em situações futuras, pretende-se

observar o comportamento do pavimento sobre estas condições e analisar as diferenças.

Mesmo sob a ação mecânica direta dos pneus dos veículos, não foi notada uma queda

da capacidade de infiltração da camada superficial do revestimento ao longo deste curto

período de monitoramento, o pavimento foi monitorado em condições reais de

funcionamento, sujeito a eventos naturais de precipitação pluviométrica e a ação de agentes

que tendem a prejudicar seu funcionamento hidráulico como folhas de árvores, sedimentos e

lixo e mesmo assim apresentou um padrão de funcionamento hidráulico. Acredita-se que as

atividades de manutenção e limpeza semanal da superfície tenham influenciado decisivamente

em seu bom desempenho.

115

A caracterização da camada do revestimento comprovou as suas elevadas taxas de

infiltração, os resultados obtidos através da metodologia Beerkan permitiram um melhor

detalhamento das propriedade dessa camada.

Com relação as simulações utilizando ao modelo Hydrus-1 D, a implementação dos

parâmetros mais precisos do solo obtidos com o uso da metodologia Beerkan e a análise de

sensibilidade dos demais parâmetros para se obter uma calibração mais próxima da realidade

deve melhorar o desempenho das simulações do nível d’água na camada de reservatório,

além disso, deve-se observar que a utilização do Hydrus 1-D buscar descrever o complexo

comportamento tridimensional do fenômeno de infiltração em uma escala unidimensional já

que o modelo descreve o movimento da água no solo resolvendo a equação de Richard para

uma coluna de solo, espera-se que a realização de testes com a versão bidimensional ou

tridimensional do modelo associada a um melhor detalhamento dos parâmetros do solo

conduzam a resultados mais rápidos uma vez que se conseguirá detalhar nos mesmos a

geometria tridimensional do dispositivo e heterogeneidade existente entre o solo da base e

das paredes do pavimento permeável.

10.0-RECOMENDAÇÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

A utilização de pavimentos permeáveis ainda é carente de informações referentes ao

seu desempenho mecânico. Além disso, para popularização dessa alternativa no meio técnico

informações referentes a aspectos de durabilidade do dispositivo devem ser contemplados nas

pesquisas as quais devem conciliar os fatores mecânicos da camada de revestimento e

geotécnicos da camada de base além dos critérios hidráulico- hidrológicos já difundidos.

A drenagem urbana convencional no Brasil não possui critérios normativos como os

utilizados para o dimensionamento de estruturas de concreto, e dimensionamento de tubos

pressurizados por exemplo. Nesse contexto, para racionalizar e popularizar a concepção

desses dispositivos sugere-se a implementação das metodologias de dimensionamento já

consagradas para dispositivos como trincheiras de infiltração, pavimentos permeáveis, valas

de detenção, etc junto a ABNT através de normas técnicas motivando assim um conjunto de

bons procedimentos para a utilização desses dispositivos em escalas maiores no cenário

nacional.

Recomenda-se que a caracterização da camada de revestimento seja realizada com

infiltrometro de anel simples diâmetro maior que o utilizado nessa pesquisa buscando dessa

116

forma uma resultado que reflita as características das partes vazadas e não vazadas do

revestimento.

O experimento executado para a realização desse trabalho ainda está em fase de

conclusão, uma vez que devem ser estudadas formas de medição do escoamento que se

adéqüem a estrutura já existente bem como a automatização de medição de outras variáveis

como a umidade ao longo do subleito além do monitoramento do nível do lençol freático para

avaliar questões relativas a vulnerabilidade do lençol de água subterrâneo.

117

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11-APÊNDICE

Figura A1- Nível diário x precipitação diária para o pavimento permeável no mês de junho de

2010.

Figura A2- Nível diário x precipitação diária para o pavimento permeável no mês de julho de

2010.

y = 0,1746x + 5,634

R² = 0,627

0

2,5

5

7,5

10

12,5

15

17,5

20

22,5

25

0 12,5 25 37,5 50 62,5 75 87,5 100 112,5 125 137,5 150 162,5

nív

el d

iári

o(c

m)

precipitação diária(mm)

junho

Linear (junho )

y = 0,5045x + 2,3747

R² = 0,8095

0

2,5

5

7,5

10

12,5

15

17,5

20

22,5

25

0 2,5 5 7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 27,5 30 32,5 35 37,5 40 42,5

nív

el d

iári

o (

cm)

precipitação(mm)

julho

Linear (julho )

133

Figura A3- Evolução do nível d’água no pavimento permeável ao longo do dia 26/06/2011

Figura A4- Evolução do nível d’água no pavimento permeável ao longo do dia 29/06/2011.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00

Nív

el (

cm)

tempo ( h:min)

0

5

10

15

20

25

30

35

0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00

Nív

el (

cm)

Tempo ( h: min)

PAVIMENTO PERMEÁVEL COMO TÉCNICA COMPENSATÓRIA NA DRENAGEM ... · compensatÓria na drenagem...

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