Resumo
A rápida urbanização das cidades tem gerado inúmeras consequências para os sistemas de drenagem de águas pluviais: aumento do escoamento superficial, piora da qualidade das águas subterrâneas e de sua escassez, causando inundações e afetando a saúde da população urbana. Uma alternativa para mitigar esses efeitos adversos é a inserção de práticas de low impact development, tais como pavimentos permeáveis, telhados verdes e células de biorretenção. Utilizando o modelo computacional Hydrus-1D, foi realizada uma simulação dos fluxos de água em meio poroso similar ao que ocorre em uma biorretenção, com dados de amostras de solo de uma área localizada em João Pessoa (PB). A infiltração do solo foi avaliada em ensaios de campo com o uso do infiltrômetro modificado Philip-Dunne. Parâmetros de desempenho hidrológico de um sistema de biorretenção foram investigados variando-se a altura de perfis de solo (100, 120, 130 e 150 cm), a profundidade de retenção na superfície (10, 20 e 30 cm) e a duração da chuva (20 e 60 min). Os resultados da simulação demonstraram que os melhores benefícios hidrológicos foram obtidos com chuvas de menor duração, com redução do pico de fluxo e do escoamento superficial de 100% para retenções de 20 e 30 cm.
Palavras-chave:
drenagem urbana; modelagem hidrológica; sustentabilidade; infraestrutura verde
Abstract
The rapid urbanization of cities has generated numerous consequences for rainwater drainage systems: increased surface runoff, worsening quality, and scarcity of groundwater, causing floods and affecting the health of the urban population. An alternative to mitigate these adverse effects is the insertion of Low Impact Development (LID) practices such as permeable pavements, green roofs, and bioretention cells. Using the HYDRUS-1D computational model a simulation of water flows in a porous medium was performed, similar to what occurs in a bioretention, with data from soil samples from an area located in João Pessoa-PB. Soil infiltration was evaluated in field trials using a modified Philip-Dunne infiltrometer (MPD). Hydrological performance parameters of a bioretention system were investigated by varying height of soil profiles (100, 120, 130, and 150 cm), surface retention depth (10, 20, and 30 cm), and duration of rainfall (20 and 60 min). The simulation results showed that better hydrological benefits were obtained with shorter rainfall, with peak flow and surface runoff reduction by 100% for retentions of 20 and 30 cm.
Keywords:
Urban drainage; Hydrological modelling; Sustainability; Green infrastructure
INTRODUÇÃO
Por causa da rápida urbanização e dos fenômenos climáticos extremos, os problemas hídricos atuais nas cidades incluem mais inundações urbanas, exploração excessiva de águas subterrâneas, desperdício e poluição de águas pluviais. O uso excessivo de construção cinza, como concreto e asfalto, no desenvolvimento urbano criou superfícies impermeáveis que não são capazes de absorver água (JIA et al., 2015JIA, H.; YAO, H.; TANG, Y.; YU, S.L.; FIELD, R.; TAFURI, A.N. LID-BMPs planning for urban runoff control and the case study in China. Journal of Environmental Management, v. 149, p. 65-76, 2015. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2014.10.003
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; NGUYEN et al., 2019NGUYEN, T.T.; NGO, H.H.; GUO, W.; WANG, X.C.; REN, N.; LI, G.; DING, J.; LIANG, H. Implementation of a specific urban water management - Sponge City. Science of the Total Environment, v. 652, p. 147-162, 2019. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.10.168
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), comprometendo a qualidade da água, bem como a sustentabilidade dos sistemas de drenagem urbana (LIU et al., 2014LIU, J.; SAMPLE, D.; BELL, C.; GUAN, Y. Review and research needs of bioretention used for the treatment of urban stormwater. Water, v. 6, n. 4, p. 1069-1099, 2014. https://doi.org/10.3390/w6041069
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), afetando o ambiente natural e alterando os processos hidrológicos, ecológicos e biológicos (GRIMM et al., 2008GRIMM, N.B.; FAETH, S.H.; GOLUBIEWSKI, N.E.; REDMAN, C.L.; WU, J.; BAI, X.; BRIGGS, J.M. Global change and the ecology of cities. Science, v. 319, n. 5864, p. 756-760, 2008. https://doi.org/10.1126/science.1150195
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; TRINH; CHUI, 2013TRINH, D.H.; CHUI, T.F.M. Assessing the hydrologic restoration of an urbanized area via an integrated distributed hydrological model. Hydrology and Earth System Sciences, v. 17, n. 12, p. 4789-4801, 2013. https://doi.org/10.5194/hess-17-4789-2013
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; MGUNI; HERSLUND; JENSEN, 2016MGUNI, P.; HERSLUND, L.; JENSEN, M.B. Sustainable urban drainage systems: examining the potential for green infrastructure-based stormwater management for Sub-Saharan cities. Natural Hazards, v. 82, n. 2, p. 241-257, 2016. https://doi.org/10.1007/s11069-016-2309-x
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).
Em muitas cidades modernas, os elementos naturais da paisagem tornaram-se menos importantes: os recursos hídricos são muito menos visíveis, e a presença de água é frequentemente tratada como um incômodo (inundação) ou desperdício (esgoto), e não como um recurso (BUURMAN; PADAWANGI, 2018BUURMAN, J.; PADAWANGI, R. Bringing people closer to water: integrating water management and urban infrastructure. Journal of Environmental Planning and Management, v. 61, n. 14, p. 2531-2548, 2018. https://doi.org/10.1080/09640568.2017.1404972
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). Todavia, a água está voltando ao cenário urbano de muitas cidades por novas abordagens e soluções verdes e sustentáveis, baseadas nos conceitos de infraestrutura verde (FLETCHER et al., 2015FLETCHER, T.D.; SHUSTER, W.; HUNT, W.F.; ASHLEY, R.; BUTLER, D.; ARTHUR, S.; TROWSDALE, S.; BARRAUD, S.; SEMADENI-DAVIS, A.; BERTRAND-KRAJEWSKI, J.; MIKKELSEN, P.S.; RIVARD, G.; UHL, M.; DAGENAIS, D.; VIKLANDER, M. SUDS, LID, BMPs, WSUD and more – the evolution and application of terminology surrounding urban drainage. Urban Water Journal, v. 12, n. 7, p. 525-542, 2015. https://doi.org/10.1080/1573062X.2014.916314
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). Nesse sentido, práticas como low impact development (LID), isto é, desenvolvimento de baixo impacto ou técnicas compensatórias, como também são conhecidas no Brasil, têm ganhado popularidade, sendo caracterizadas por dispositivos de tratamento de águas pluviais de menor escala, como células de biorretenção, telhados verdes e pavimentos permeáveis.
Na escala da instalação, as células de biorretenção podem fornecer simultaneamente vários benefícios hídricos e ambientais mais sustentáveis, como melhoria da qualidade da água, mitigação de riscos de inundação, restauração do balanço hídrico (YANG; CHUI, 2018YANG, Y.; CHUI, T.F.M. Optimizing surface and contributing areas of bioretention cells for stormwater runoff quality and quantity management. Journal of Environmental Management, v. 206, p. 1090-1103, 2018. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.11.064
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) e aprimoramento estético (LIU et al., 2014LIU, J.; SAMPLE, D.; BELL, C.; GUAN, Y. Review and research needs of bioretention used for the treatment of urban stormwater. Water, v. 6, n. 4, p. 1069-1099, 2014. https://doi.org/10.3390/w6041069
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). Essas células ou sistemas de biorretenção consistem em pequenas áreas escavadas e preenchidas com uma mistura de solo de alta permeabilidade e matéria orgânica projetada para maximizar a infiltração de água e o crescimento vegetativo (DAVIS et al., 2009DAVIS, A.P.; HUNT, W.F.; TRAVER, R.G.; CLAR, M. Bioretention technology: overview of current practice and future needs. Journal of Environmental Engineering, v. 135, n. 3, p. 109-117, 2009. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9372(2009)135:3(109)
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). Uma estrutura de entrada é criada para rotear o escoamento urbano de águas pluviais da área circundante para a unidade, enquanto uma estrutura para desvios de fluxo acima da capacidade de retenção é adicionada (ROY-POIRIER; CHAMPAGNE; FILION, 2010ROY-POIRIER, A.; CHAMPAGNE, P.; FILION, Y. Review of bioretention system research and design: past, present, and future. Journal of Environmental Engineering, v. 136, n. 9, p. 878-889, 2010. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EE.1943-7870.0000227
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).
Sistemas de biorretenção são projetados para capturar o escoamento de águas pluviais de bacias impermeáveis, para reduzir as cargas poluentes na superfície (DIETZ; CLAUSEN, 2008DIETZ, M.E.; CLAUSEN, J.C. Stormwater runoff and export changes with development in a traditional and low impact subdivision. Journal of Environmental Management, v. 87, n. 4, p. 560-566, 2008. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2007.03.026
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; MCINTYRE et al., 2016MCINTYRE, J.K.; EDMUNDS, R.C.; REDIG, M.G.; MUDROCK, E.M.; DAVIS J.W.; INCARDONA, J.P.; STARK, J.D.; SCHOLZ, N.L. Confirmation of stormwater bioretention treatment effectiveness using molecular indicators of cardiovascular toxicity in developing fish. Environmental Science & Technology, v. 50, n. 3, p. 1561-1569, 2016. https://doi.org/10.1021/acs.est.5b04786
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; RYCEWICZ-BORECKI; MCLEAN; DUPONT, 2017RYCEWICZ-BORECKI, M.; MCLEAN, J.E.; DUPONT, R.R. Nitrogen and phosphorus mass balance, retention and uptake in six plant species grown in stormwater bioretention microcosms. Ecological Engineering, v. 99, p. 409-416, 2017. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2016.11.020
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), reduzir volumes de escoamento e a taxa de pico de fluxo (DAVIS et al., 2009DAVIS, A.P.; HUNT, W.F.; TRAVER, R.G.; CLAR, M. Bioretention technology: overview of current practice and future needs. Journal of Environmental Engineering, v. 135, n. 3, p. 109-117, 2009. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9372(2009)135:3(109)
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; WINSTON; DORSEY; HUNT, 2016WINSTON, R.J.; DORSEY, J.D.; HUNT, W.F. Quantifying volume reduction and peak flow mitigation for three bioretention cells in clay soils in northeast Ohio. Science of the Total Environment, v. 553, p. 83-95, 2016. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.02.081
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; LIU; FASSMAN-BECK, 2017LIU, R.; FASSMAN-BECK, E. Hydrologic response of engineered media in living roofs and bioretention to large rainfalls: experiments and modeling. Hydrological Processes, v. 31, n. 3, p. 556-572, 2017. https://doi.org/10.1002/hyp.11044
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), aumentar a evapotranspiração, a infiltração e a recarga das águas subterrâneas (GÜLBAZ; KAZEZYILMAZ-ALHAN, 2017GÜLBAZ, S.; KAZEZYILMAZ-ALHAN, C.M. Experimental investigation on hydrologic performance of LID with rainfall-watershed-bioretention system. Journal of Hydrologic Engineering, v. 22, n. 1, p. 1-10, 2017. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001450
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).
Em drenagem urbana, a modelagem computacional, aliada a ferramentas de sensoriamento remoto e de geoprocessamento, pode poupar tempo e economizar recursos financeiros, desde que apresente resultados com precisão adequada. Apesar da falta de modelos ou ferramentas abrangentes de práticas de infraestrutura verde que possam modelar o processo natural complexo que ocorre nessas instalações (KAYKHOSRAVI; KHAN; JADIDI, 2018KAYKHOSRAVI, S.; KHAN, U.T.; JADIDI, A. A comprehensive review of low impact development models for research, conceptual, preliminary and detailed design applications. Water, v. 10, n. 11, 1541, 2018. https://doi.org/10.3390/w10111541
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), alguns modelos são comumente usados para simular o desempenho de sistemas de biorretenção, tais como: DRAINMOD, RECARGA, SWMM (LIU et al., 2014LIU, J.; SAMPLE, D.; BELL, C.; GUAN, Y. Review and research needs of bioretention used for the treatment of urban stormwater. Water, v. 6, n. 4, p. 1069-1099, 2014. https://doi.org/10.3390/w6041069
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; WINSTON; DORSEY; HUNT, 2016WINSTON, R.J.; DORSEY, J.D.; HUNT, W.F. Quantifying volume reduction and peak flow mitigation for three bioretention cells in clay soils in northeast Ohio. Science of the Total Environment, v. 553, p. 83-95, 2016. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.02.081
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), GIFMod (MASSOUDIEH et al., 2017MASSOUDIEH, A.; MAGHREBI, M.; KAMRANI, B.; NIETCH, C.; TRYBY, M.; AFLAKI, S.; PANGULURI, S. A flexible modeling framework for hydraulic and water quality performance assessment of stormwater green infrastructure. Environmental Modelling & Software, v. 92, p. 57-73, 2017. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2017.02.013
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) e MUSIC (IMTEAZ et al., 2013IMTEAZ, M.A.; AHSAN, A.; RAHMAN, A.; MEKANIK, F. Modelling stormwater treatment systems using MUSIC: accuracy. Resources, Conservation and Recycling, v. 71, p. 15-21, 2013. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2012.11.007
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).
Além dos modelos computacionais citados, o programa de domínio público Hydrus-1D, de elementos finitos que simula o movimento unidimensional de água, tem sido amplamente utilizado para estimar fluxos de água em técnicas compensatórias, como, por exemplo, trincheiras de infiltração (MUJOVO, 2014MUJOVO, M.J.N. Simulação de fluxo vertical em trincheiras de infiltração urbana. 2014. 116f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Ambiental) – Centro Tecnológico, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2014.); telhados verdes (SANTOS et al., 2013SANTOS, P.T.D.S.; SANTOS, S.M.D.; MONTENEGRO, S.M.G.L.; COUTINHO, A.P.; MOURA, G.S.S.D.; ANTONINO, A.C.D. Telhado verde: desempenho do sistema construtivo na redução do escoamento superficial. Ambiente Construído. v. 13, n. 1, p. 161-174, 2013. https://doi.org/10.1590/S1678-86212013000100011
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) e pavimento permeável (COSTA et al., 2020COSTA, I.R.D.A.; COUTINHO, A.P.; MONTENEGRO, S.M.G.L.; RABELO, A.E.C.D.G.D.C.; SANTOS NETO, S.M.D.; ALVES, E.M.; ANTONINO, A.C.D. Sensitivity of hydrodynamic parameters in the simulation of water transfer processes in a permeable pavement. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 25, e47, 2020. https://doi.org/10.1590/2318-0331.252020190188
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).
O Hydrus-1D foi usado por Liu e Fassman-Beck (2017)LIU, R.; FASSMAN-BECK, E. Hydrologic response of engineered media in living roofs and bioretention to large rainfalls: experiments and modeling. Hydrological Processes, v. 31, n. 3, p. 556-572, 2017. https://doi.org/10.1002/hyp.11044
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para avaliar a resposta hidrológica de misturas de solos em colunas de laboratório representando configurações de telhados verdes e biorretenção. Segundo as autoras, empregou-se o modelo nesse estudo por causa da sua capacidade de modelar fluxo uniforme e preferencial dos meios porosos.
Li et al. (2018)LI, J.; ZHAO, R.; LI, Y.; CHEN, L. Modelling the effects of parameter optimization on three bioretention tanks using the HYDRUS-1D model. Journal of Environmental Management, v. 217, p. 38-46, 2018. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.03.078
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recorreram ao Hydrus-1D para analisar a influência do tipo de mistura, a espessura do solo de plantio, a precipitação e a concentração de poluentes nos efeitos de purificação de tanques de biorretenção experimentais e concluíram que os efeitos de redução do volume de água e carga de poluentes foram significativamente menores com o aumento das cargas de entrada de água.
Estudando o desempenho hidrológico de duas células de biorretenção, Meng et al. (2014)MENG, Y.; WANG, H.; CHEN, J.; ZHANG, S. Modelling hydrology of a single bioretention system with HYDRUS-1D. The Scientific World Journal, v. 2014, 521047, 2014. https://doi.org/10.1155/2014/521047
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empregaram o Hydrus-1D para avaliar parâmetros de projeto (tempo de retorno, profundidade e tipo do meio filtrante e área da superfície). Os resultados desse estudo revelaram que melhor capacidade de detenção é observada para eventos de chuva menores, meios filtrantes mais profundos e chuvas de projeto com tempo de retorno menor que dois anos.
Seguindo essas considerações, este estudo teve como objetivos simular e analisar o desempenho hidrológico de um sistema com configuração implícita de uma biorretenção usando o modelo Hydrus-1D. Amostras de solo de uma área localizada no campus I da Universidade Federal da Paraíba (UFPB) foram investigadas, e a condutividade hidráulica foi determinada com ensaios de infiltração empregando-se o infiltrômetro Philip-Dunne (MPD). A economia de tempo e a simplicidade na aplicação das técnicas empregadas neste estudo permitem identificar áreas urbanas com aptidão para implantação de células de biorretenção, otimizar os parâmetros de projeto e garantir uma concepção adequada, com base científica, na construção desses sistemas.
MATERIAIS E MÉTODOS
Descrição da área de estudo e coleta de amostras
O campus I da UFPB está localizado na cidade de João Pessoa, capital do estado da Paraíba, no litoral da região nordeste (Figura 1). O clima é tropical quente e úmido com chuvas no inverno, temperaturas médias em torno de 27°C e precipitação acumulada anual de cerca de 1.900 mm (INMET, 2020Instituto Nacional de Meteorologia (INMET). Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento. Normais climatológicas do Brasil. INMET, 2020. Disponível em: http://www.inmet.gov.br/portal/index.php?r=clima/normaisClimatologicas. Acesso em: 26 mar. 2020.
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).
De acordo com a pesquisa de campo desenvolvida neste estudo, foram identificados no campus I da UFPB 17 estacionamentos formais com aproximadamente 10 ha de área total onde poderiam ser implantadas células de biorretenção, contudo a maioria desses estacionamentos apresentava superfícies totalmente impermeáveis ou pequenos canteiros. Esse aspecto condicionou a escolha do estacionamento do bloco da reitoria como objeto de estudo mais adequado, tendo em vista o acesso direto ao solo na área dos canteiros existentes, bem como a possibilidade de realizar os ensaios de infiltração com o MPD para capturar a variabilidade espacial que normalmente ocorre com as taxas de infiltração (AHMED et al., 2014AHMED, F.; NESTINGEN, R.; NIEBER, J.L.; GULLIVER, J.S.; HOZALSKI, R.M. A modified Philip-Dunne infiltrometer for measuring the field-saturated hydraulic conductivity of surface soil. Vadose Zone Journal, v. 13, n. 10, p. 1-14, 2014. https://doi.org/10.2136/vzj2014.01.0012
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).
A determinação das propriedades físicas do solo foi realizada mediante a coleta de duas amostras deformadas em dois canteiros até a profundidade de 1 m (Figura 2). Para a escolha dos locais de coleta das amostras, foram observados os canteiros de maior área, de modo que o solo apresentasse características mais próximas possíveis do seu estado natural.
Detalhes da área de estudo: à esquerda, a localização dos estacionamentos do campus I da Universidade Federal da Paraíba; à direita, o estacionamento do bloco da reitoria.
Os ensaios de caracterização física do solo foram conduzidos no Laboratório de Geologia e Pavimentação, do Centro de Tecnologia da UFPB, e constaram: da análise granulométrica, Norma Brasileira (NBR) 7181 (ABNT, 2016ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 7181: Solo – Análise granulométrica. Rio de Janeiro: ABNT, 2016.); da classificação textural, NBR 6502 (ABNT, 1995aASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 6502: Rochas e Solo. Rio de Janeiro: ABNT, 1995a.); da densidade das partículas do solo, ME-093 (DNER, 1994DEPARTAMENTO NACIONAL DE ESTRADAS DE RODAGEM (DNER). ME 093/94: Solos – determinação da densidade real. Método de ensaio. DNER, 1994. Disponível em: https://www.gov.br/dnit/pt-br/assuntos/planejamento-e-pesquisa/ipr/coletanea-de-normas/coletanea-de-normas/metodo-de-ensaio-me/dner_me_093_94-1.pdf. Acesso em: 26 set. 2020.
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); da densidade do solo por ASTM C-29/C29M (ASTM, 2003AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (ASTM). ASTM C29/C29M-17a: standard test method for bulk density (“unit weight”) and voids in aggregate. West Conshohocken: ASTM, 2003.); e do coeficiente de permeabilidade, NBR 13292 (ABNT,1995bASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 13292: Solo – Determinação do coeficiente de permeabilidade de solos granulares à carga constante. Rio de Janeiro: ABNT, 1995b.).
Ensaio de infiltração pelo método do infiltrômetro modificado Philip-Dunne
Para os ensaios de infiltração de campo deste estudo, foi utilizado o método do infiltrômetro MPD. A teoria do MPD usa as premissas do modelo de infiltração de Green-Ampt, uma adaptação do infiltrômetro original de poço de Philip-Dunne (AHMED; GULLIVER; NIEBER, 2011AHMED, F.; GULLIVER, J.S.; NIEBER, L. A new technique to measure infiltration rate for assessing infiltration of BMPs. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON URBAN DRAINAGE, 12., 2011, Porto Alegre. Anais… 2011. p. 1-8. Disponível em: http://www.landprofile.com/pdf/PAP004847.pdf. Acesso em: 25 set. 2020.
http://www.landprofile.com/pdf/PAP004847...
; NESTINGEN et al., 2018NESTINGEN, R.S.; ASLESON, B.C.; GULLIVER, J.S.; HOZALSKI, R.M.; NIEBER, J.L. Laboratory comparison of field infiltrometers. Journal of Sustainable Water in the Built Environment, v. 4, n. 3, p. 1-6, 2018. https://doi.org/10.1061/JSWBAY.0000857
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). Essa metodologia permite testes rápidos, com pouco volume de água para infiltração, e foi empregada, por exemplo, por Asleson et al. (2009)ASLESON, B.C.; NESTINGEN, R.S.; GULLIVER, J.S.; HOZALSKI, R.M.; NIEBER, J.L. Performance assessment of rain gardens. Journal of the American Water Resources Association, v. 45, n. 4, p. 1019-1031, 2009. https://doi.org/10.1111/j.1752-1688.2009.00344.x
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para monitorar o desempenho de jardins de chuva e por Ahmed, Gulliver e Nieber (2011)AHMED, F.; GULLIVER, J.S.; NIEBER, L. A new technique to measure infiltration rate for assessing infiltration of BMPs. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON URBAN DRAINAGE, 12., 2011, Porto Alegre. Anais… 2011. p. 1-8. Disponível em: http://www.landprofile.com/pdf/PAP004847.pdf. Acesso em: 25 set. 2020.
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para comparar o cálculo da condutividade hidráulica saturada (Ks) utilizando o MPD e o infiltrômetro de anel duplo. A Figura 3A mostra o diagrama conceitual do MPD, e a Figura 3B, o dispositivo construído para esta pesquisa.
(A) Diagrama conceitual do infiltrômetro modificado Philip-Dunne; (B) infiltrômetro modificado Philip-Dunne desenvolvido para a pesquisa.
A formulação matemática para obtenção de Ks compreende as Equações 1, 2 e 3, que podem ser consultadas em Ahmed et al. (2014)AHMED, F.; NESTINGEN, R.; NIEBER, J.L.; GULLIVER, J.S.; HOZALSKI, R.M. A modified Philip-Dunne infiltrometer for measuring the field-saturated hydraulic conductivity of surface soil. Vadose Zone Journal, v. 13, n. 10, p. 1-14, 2014. https://doi.org/10.2136/vzj2014.01.0012
https://doi.org/10.2136/vzj2014.01.0012...
e em Nestingen et al. (2018)NESTINGEN, R.S.; ASLESON, B.C.; GULLIVER, J.S.; HOZALSKI, R.M.; NIEBER, J.L. Laboratory comparison of field infiltrometers. Journal of Sustainable Water in the Built Environment, v. 4, n. 3, p. 1-6, 2018. https://doi.org/10.1061/JSWBAY.0000857
https://doi.org/10.1061/JSWBAY.0000857...
. A Equação 1 é usada para resolver R(t). As duas propriedades desconhecidas do solo, Ks e Ψ, são determinadas minimizando-se a soma da diferença absoluta de ΔP(t), calculada pelas Equações 2 e 3.
Em que:
Hin: altura inicial de água dentro do tubo (cm);
H(t): altura de água acima da superfície (cm);
R(t): raio do fundo do infiltrômetro para a frente molhada (cm);
Lmax: profundidade de penetração do dispositivo no solo (cm);
r0: raio da fonte esférica (cm);
r1: raio do tubo cilíndrico (cm);
ΔP: queda de potencial de pressão de capilaridade pela fonte esférica para a frente de umedecimento;
Ψ: altura ou pressão de sucção da frente de umedecimento (cm);
t: tempo (s);
Ks: condutividade hidráulica (cm.s-1);
θ0: umidade volumétrica inicial (cm3.cm-3);
θ1: umidade volumétrica final (cm3.cm-3).
Segundo Ahmed et al. (2014)AHMED, F.; NESTINGEN, R.; NIEBER, J.L.; GULLIVER, J.S.; HOZALSKI, R.M. A modified Philip-Dunne infiltrometer for measuring the field-saturated hydraulic conductivity of surface soil. Vadose Zone Journal, v. 13, n. 10, p. 1-14, 2014. https://doi.org/10.2136/vzj2014.01.0012
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, a Equação 1 é válida para R > √ (r12 + Lmax2), e o raio da fonte esférica, definido como r0 = 0,5 × r1.
Para os resultados da condutividade hidráulica, buscou-se identificar os dados discrepantes utilizando-se o critério de rejeição de Chauvenet. Por esse critério, conforme a Equação 4, o desvio de cada um dos valores em relação à média é comparado com o desvio padrão do conjunto de dados, multiplicado pela constante de Chauvenet (k(n)). Os valores de k(n) podem ser encontrados em Vuolo (1996)VUOLO, J.H. Fundamentos da teoria dos erros. 2ª ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1996. 249 p., em função do número de medições.
Em que:
xj: valor testado do conjunto de dados;
n: número de medições;
k(n): constante de Chauvenet para n medições;
x̄: média dos valores medidos;
σ: desvio padrão do conjunto de dados.
Parâmetros hidrológicos locais
Para o cálculo da altura pluviométrica (P), foi aplicada a relação intensidade-duração-frequência para João Pessoa (Equação 5), com os parâmetros conforme Aragão et al. (2000)ARAGÃO, R.; FIGUEIREDO, E.E.; SRINIVASAN, V.S.; GOIS, R.S.S. Chuvas intensas no estado da Paraíba. In: SIMPÓSIO DE RECURSOS HÍDRICOS DO NORDESTE, 5., 2000, Natal. Anais... Natal: ABRH, 2000. p. 74-85..
Em que:
I: intensidade de precipitação (mm.h-1);
TR: tempo de retorno (anos);
T: duração da chuva (min).
O tempo de retorno adotado foi de cinco anos e tem por base os valores observados na literatura para microbacias de drenagem (TUCCI, 2003TUCCI, C.E.M. Inundações e drenagem urbana. In: TUCCI, C.E.M.; BERTON, J.C. (org.). Inundações urbanas na América do Sul. Porto Alegre: ABRH, 2003. p. 45-150.). Nessa mesma linha, Baptista, Nascimento e Barraud (2011)BAPTISTA, M.B.; NASCIMENTO, N.O.; BARRAUD, S. Técnicas compensatórias em drenagem urbana. 2. ed. Porto Alegre: ABRH, 2011. 318 p. consideram compatíveis técnicas compensatórias em áreas de drenagem pequenas (< 4 ha) e controle de vazão de pico para tempo de retorno de até cinco anos.
O tempo de duração da chuva de projeto adotado foi igual ao tempo de concentração (tc) da bacia (t = tc) e três vezes o tempo de concentração (t = 3.tc), para comparar a influência desse parâmetro no cálculo da precipitação efetiva e simular a resposta hidrológica com o modelo. Considerando que a maioria dos métodos de cálculo existentes para o cálculo de (tc) foi desenvolvida de medições em bacias rurais e as distorções pelos diversos métodos (CANHOLI, 2014CANHOLI, A.P. Drenagem urbana e controle de enchentes. 2. ed. São Paulo: Oficina de Textos, 2014. 384 p.), foi determinada a média aritmética dos resultados obtidos por meio de cinco fórmulas diferentes para o cálculo de (tc), conforme as Equações 6, 7, 8, 9 e 10 (SILVEIRA, 2005SILVEIRA, A.L.L. Desempenho de fórmulas de tempo de concentração em bacias urbanas e rurais. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 10, n. 1, p. 5-23, 2005. https://doi.org/10.21168/rbrh.v10n1.p5-29
https://doi.org/10.21168/rbrh.v10n1.p5-2...
):
Em que:
tc: tempo de concentração (h);
At: área total da bacia (km2);
Aimp: área impermeável (km2);
Aper: área permeável (km2);
L: comprimento do percurso hidráulico (km);
S: declividade média do percurso hidráulico (m.m-1);
i: intensidade da chuva (mm.h-1).
O parâmetro CN (adimensional) é o número de curva, que varia em função do tipo de solo e da ocupação e uso da bacia de drenagem (USDA, 1986UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE (USDA). Urban hydrology of small watersheds. Technical Release 55 (TR-55). Estados Unidos: USDA, 1986. 164 p. Disponível em: https://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/stelprdb1044171.pdf. Acesso em: 25 set. 2020.
https://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_D...
). O grupo hidrológico do solo foi classificado segundo Sartori, Lombardi Neto e Genovez (2005)Sartori, A.; LOMBARDI Neto, F.; Genovez, A.M. Classificação hidrológica de solos brasileiros para a estimativa da chuva excedente com o método do serviço de conservação do solo dos Estados Unidos parte 1: classificação. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 10, n. 4, p. 5-18, 2005. https://doi.org/10.21168/rbrh.v10n4.p5-18
https://doi.org/10.21168/rbrh.v10n4.p5-1...
, e enquadraram-se as condições de umidade antecedente (AMC) de acordo com McCuen (1998)MCCUEN, R.H. Hydrologic analysis and design. 2ª ed. Nova Jérsei: Prentice Hall, 1998. 814 p..
A Tabela 1 sumariza os dados da microbacia de estudo. O CN composto foi calculado pela média ponderada, considerando as áreas permeáveis e impermeáveis.
Para estimar o escoamento direto ou excesso de precipitação, foi utilizado o método do número de curva do Natural Resources Conservation Service/Soil Conservation Service (NRCS-SCS) dos Estados Unidos (USDA, 1986UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE (USDA). Urban hydrology of small watersheds. Technical Release 55 (TR-55). Estados Unidos: USDA, 1986. 164 p. Disponível em: https://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/stelprdb1044171.pdf. Acesso em: 25 set. 2020.
https://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_D...
), conforme a Equação 11.
Em que:
R: escoamento direto (mm);
P = i×t: altura pluviométrica (mm);
Ia: abstração inicial (mm);
S: retenção máxima potencial da bacia (mm).
O método NRCS-SCS estabelece que Ia = 0,2 × S (USDA, 1986UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE (USDA). Urban hydrology of small watersheds. Technical Release 55 (TR-55). Estados Unidos: USDA, 1986. 164 p. Disponível em: https://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_DOCUMENTS/stelprdb1044171.pdf. Acesso em: 25 set. 2020.
https://www.nrcs.usda.gov/Internet/FSE_D...
), condição adotada neste trabalho, com S (mm) calculado pela Equação 12.
Por meio do método dos blocos alternados, a distribuição temporal da chuva de projeto foi obtida com a parcela mais intensa na metade da duração da chuva. A proporção da área de biorretenção para a área contribuinte da bacia de drenagem geralmente varia de 5 a 10% (LI et al., 2020LI, J.; ZHAO, R.; LI, Y.; LI, H. Simulation and optimization of layered bioretention facilities by HYDRUS-1D model and response surface methodology. Journal of Hydrology, v. 586, 124813, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.124813
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.1...
), e neste trabalho foi adotada a igual a 5%. Essa proporção pode ser convertida em uma taxa de confluência de 20:1. A Tabela 2 apresenta os valores calculados para a chuva de projeto e os parâmetros utilizados.
Configurações de contorno e dados de entrada para modelagem com o Hydrus-1D
O Hydrus-1D é um programa que resolve numericamente a Equação 13, conhecida como a equação de Richards para fluxo unidimensional (LIBARDI, 2018LIBARDI, P.L. Dinâmica da água no solo. 3ª ed. São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo, 2018. 341 p.), por meio do método dos elementos finitos, e oferece várias funções analíticas para descrever as propriedades hidráulicas do solo. Neste estudo, optou-se pelo modelo de Van Genuchten-Mualem (VAN GENUCHTEN, 1980VAN GENUCHTEN, M. T. A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of American, v. 44, n. 5, p. 892-897, 1980. https://doi.org/10.2136/sssaj1980.03615995004400050002x
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) para meios com estrutura de poros unimodal (Equações 14 e 15).
Em que:
T: variável de tempo (min);
Z: variável espacial vertical, positiva para cima (cm);
K(θ): condutividade hidráulica em função da umidade (cm.min-1);
h: carga hidráulica, equivalente da energia potencial matricial (cm);
θ: conteúdo volumétrico de água (cm3.cm-3).
Em que:
θr: umidade residual (cm3.cm-3);
θs: umidade de saturação (cm3.cm-3);
h: carga hidráulica, equivalente da energia potencial matricial (cm);
Ks: condutividade hidráulica saturada (cm.min-1);
α: sucção de admissão de ar recíproca (cm-1);
n: índice de distribuição de tamanho dos poros;
l: índice de conectividade dos poros do meio (geralmente 0,5);
m: 1-1/n.
No presente estudo, as condições de contorno no limite superior foram determinadas pela taxa de precipitação aplicada, com a seleção da opção atmosférico com camada superficial. O limite inferior foi definido como face de escoamento, fluxo zero nas laterais e condições iniciais em conteúdo de água. O intervalo de tempo de discretização da chuva foi de 1 min para duração de chuva de 20 min e de 2 min para duração de chuva de 60 min, sendo o tempo total de simulação para os dois casos 300 min. A umidade volumétrica inicial foi de 0,15 cm3.cm-3 e corresponde ao valor mínimo determinado nos ensaios de infiltração. A presença de vegetação e o efeito da evapotranspiração não foram considerados por causa da escala de tempo curta da simulação, condição também adotada por Liu e Fassman-Beck (2017). Modelaram-se quatro profundidades de perfis de solo z (100, 120, 130 e 150 cm) e três alturas de retenção na superfície ret. (10, 20 e 30 cm). O esquema gráfico das condições de contorno e um exemplo de seção transversal de uma biorretenção são apresentados na Figura 4.
Métricas de desempenho
Considerando os benefícios hidrológicos da implantação de células de biorretenção, algumas métricas de desempenho podem ser expressas com base na redução percentual do pico de fluxo (Equação 16), redução percentual do volume de escoamento (Equação 17) e reposição para o solo natural em termos de lâmina infiltrada. Essa abordagem é semelhante à adotada por Yang e Chui (2018)YANG, Y.; CHUI, T.F.M. Optimizing surface and contributing areas of bioretention cells for stormwater runoff quality and quantity management. Journal of Environmental Management, v. 206, p. 1090-1103, 2018. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.11.064
https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.1...
.
Em que:
RPFz,ret: redução percentual do pico de fluxo (%);
qi: fluxo de pico (cm.min-1) para o caso de não implantação da biorretenção, representado pelo pico da precipitação excedente i;
qz,ret: pico de fluxo (cm.min-1), em caso de implantação da biorretenção com camada de profundidade z e altura de retenção ret.
Em que:
RVz,ret: redução percentual do volume (%), em termos de lâmina de escoamento superficial;
Vi: lâmina de escoamento superficial (cm) para o caso de não implantação da biorretenção, representada pela lâmina escoada da precipitação excedente i;
Vz,ret: lâmina escoada (cm), em caso de implantação da biorretenção com camada de profundidade z e altura de retenção ret.
A recarga subterrânea (Rs) foi calculada com base no volume determinado pelo modelo, até o tempo de 300 min, levando-se em conta a infiltração para o solo natural na base do perfil.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Seguindo a sequência de procedimentos de ensaios normalizados descritos na metodologia, a Tabela 3 traz os resultados da caracterização física do solo, enquanto a Tabela 4 apresenta os resultados estatísticos dos ensaios de infiltração obtidos com o MPD.
Para a determinação dos parâmetros hidráulicos do solo, o Hydrus-1D possui em sua interface um complemento (Roseta Lite v. 1.1) que estima esses parâmetros usando as proporções granulométricas e a densidade de solos padronizados. Assim, com os valores médios de campo da Tabela 3, o complemento ajusta os parâmetros apresentados na Tabela 5.
Os hidrogramas resultantes da simulação para chuvas de duração 20 e 60 min são mostrados nos Apêndices 1 e 2, respectivamente. Os resultados da redução de pico de fluxo e do volume de escoamento superficial, calculados pela produção do modelo, estão demonstrados na Tabela 6 para chuva de 20 min de duração. A redução do pico de fluxo foi de 49% com altura de retenção de 10 cm, e de 100% para alturas de retenção de 20 e 30 cm. O escoamento superficial diminuiu 74%, com altura de retenção de 10 cm, e 100% para alturas de retenção de 20 e 30 cm.
Redução de pico de fluxo (RPF) e redução do escoamento superficial (RV) para simulação com tempo de duração da chuva 20 min e retenção de 10, 20 e 30 cm.
Quando a duração da chuva era de 60 min, conforme Tabela 7, a redução do pico de fluxo foi de 18%, com altura de retenção de 10 cm; 39%, para altura de retenção de 20 cm; e de cerca de 60%, para 30 cm de altura de retenção. O escoamento superficial reduziu 47%, com altura de retenção 10 cm; 60%, para altura de retenção 20 cm; e 73%, para 30 cm de altura de retenção. Embora o tempo de duração da chuva tenha aumentado de 20 para 60 min (aumento de 200%) — e também a precipitação excedente (de 15,6 para 45,6 mm, conforme Tabela 2) —, a simulação indica que a eficiência da célula de biorretenção diminui, mas ainda é satisfatória (RPF ≅ 60% e RV ≅ 73%), desde que adotada altura de retenção de 30 cm para qualquer profundidade do perfil de solo.
Redução de pico de fluxo (RPF) e redução do escoamento superficial (RV) para simulação com tempo de duração de chuva 60 min e retenção de 10, 20 e 30 cm.
Os resultados demonstram que a redução do desempenho da biorretenção, quanto às taxas de redução de pico de fluxo e escoamento superficial, com o aumento do influxo recebido por esses sistemas, são consistentes com os resultados alcançados por Li et al. (2018)LI, J.; ZHAO, R.; LI, Y.; CHEN, L. Modelling the effects of parameter optimization on three bioretention tanks using the HYDRUS-1D model. Journal of Environmental Management, v. 217, p. 38-46, 2018. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.03.078
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e por Li et al. (2020)LI, J.; ZHAO, R.; LI, Y.; LI, H. Simulation and optimization of layered bioretention facilities by HYDRUS-1D model and response surface methodology. Journal of Hydrology, v. 586, 124813, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.124813
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.1...
. Nesses estudos, os autores apontam que as taxas de redução do volume de água proporcionadas pelos sistemas de biorretenção diminuíram com o aumento do volume de influxo de água. Por exemplo, Li et al. (2018) afirmam que a redução do volume de água diminuiu de 79,76 para 43,79%, quando o período de retorno foi aumentado de um para dez anos. Analisando colunas experimentais de biorretenção, Gülbaz e Kazezyilmaz-Alhan (2017)GÜLBAZ, S.; KAZEZYILMAZ-ALHAN, C.M. Experimental investigation on hydrologic performance of LID with rainfall-watershed-bioretention system. Journal of Hydrologic Engineering, v. 22, n. 1, p. 1-10, 2017. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001450
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concordam que a porcentagem de redução de pico de fluxo diminui quando a duração das chuvas aumenta. Esses autores encontraram taxa de redução de fluxo de 33% para duração de 15 min e 21% para duração de 30 min, quando a intensidade de chuva constante foi 16 mm.h-1.
Em relação às profundidades dos perfis e alturas de retenção, os resultados da simulação, especialmente para duração de chuva de 60 min, sugerem que tanto a redução do pico de fluxo quanto a redução do escoamento superficial são objetivamente influenciadas pelas alturas de retenção; e que a influência das profundidades dos perfis de solo foi insignificante. Esses resultados alinham-se com os obtidos por Meng et al. (2014)MENG, Y.; WANG, H.; CHEN, J.; ZHANG, S. Modelling hydrology of a single bioretention system with HYDRUS-1D. The Scientific World Journal, v. 2014, 521047, 2014. https://doi.org/10.1155/2014/521047
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, para quem a profundidade do meio só tem um impacto benéfico em sistemas de biorretenção na detenção de água, enquanto tem pouca ou nenhuma influência na eficácia hidrológica desses sistemas.
Os resultados da simulação para variação do desempenho hidrológico, no que se refere à recarga subterrânea, são mostrados na Tabela 8.
Os valores de Rs, pelos resultados obtidos, aumentam à medida que as alturas de retenção também aumentam. Assim, para o perfil de 100 cm e duração de chuva de 20 min, os valores de Rs variam de 142 (para ret. = 10 cm) a 222 mm (para ret. = 30 cm). Para duração de 60 min, Rs varia de 329 (para ret. = 10 cm) a 567 mm (para ret. = 30 cm). Essa tendência de aumento de Rs também é verificada para as demais profundidades dos perfis, para alturas de retenção maiores. A esse respeito, Gülbaz e Kazezyilmaz-Alhan (2017)GÜLBAZ, S.; KAZEZYILMAZ-ALHAN, C.M. Experimental investigation on hydrologic performance of LID with rainfall-watershed-bioretention system. Journal of Hydrologic Engineering, v. 22, n. 1, p. 1-10, 2017. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001450
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enfatizam que a altura de retenção é um fator dominante no pico de vazão de saída de colunas de biorretenção, resultando em diminuição no tempo de pico de saída e aumento da taxa de vazão de pico para aumento da altura de retenção. Fisicamente, a profundidade de retenção na superfície de uma célula de biorretenção causa pressão hidrostática da água que leva a alto gradiente de pressão entre os pontos de entrada e saída do perfil do solo.
Nos gráficos de escoamento inferior para chuvas de 20 e 60 min contidos nos Apêndices 1 e 2, respectivamente, o modelo prevê atraso na ocorrência de vazão de cerca de 40 (z = 100 cm) até 60 min (z ≥ 120 cm). Em colunas de laboratório com 100 cm de altura, Liu e Fassman-Beck (2017) obtiveram atraso de aproximadamente 30 min em meio poroso baseado em areia marinha e composto orgânico submetido a altas taxas de influxo.
CONCLUSÃO
As taxas de redução do pico de fluxo e do escoamento superficial dos perfis de solo analisados foram reduzidas com o aumento do volume de influxo de água, conforme o aumento de duração da chuva;
Para duração de chuva igual ao tempo de concentração, a eficiência hidrológica do sistema foi 100% efetiva para retenções iguais ou maiores que 20 cm, sugerindo que o sistema poderia capturar toda a água roteada para a célula de biorretenção, qualquer que fosse a altura do perfil analisado;
A eficiência do sistema é influenciada pela altura de retenção na superfície de uma célula de biorretenção em detrimento das alturas dos perfis do solo. Uma vez que as taxas de influxo analisadas neste estudo superam a taxa de infiltração do solo, condicionada pela condutividade hidráulica (Ks), o solo atingirá rapidamente sua capacidade de infiltração e o volume excedente deverá ser armazenado na superfície;
As taxas de vazão nas bases dos perfis de solo analisados aumentaram à medida que a altura de retenção variou de 10 a 30 cm, o que pode ser fisicamente explicado pela pressão hidrostática que a profundidade de retenção na superfície proporciona.
Os resultados deste estudo sugerem que as práticas de LID, como as células de biorretenção, têm o potencial de minimizar os efeitos da urbanização no gerenciamento das águas pluviais urbanas. Essas práticas facilitam a infiltração de águas pluviais, reduzem o escoamento superficial e aumentam a recarga das reservas de águas subterrâneas. As técnicas aplicadas nesta pesquisa podem contribuir para a avaliação preliminar da eficiência e os benefícios hidrológicos esperados de uma biorretenção e, por conseguinte, fundamentar tecnicamente decisões quanto ao seu emprego na gestão da drenagem urbana.
Futuras pesquisas poderão investigar diferentes composições de solos brasileiros e modelar fluxos de água para estudos de eficiência e viabilidade de instalações de biorretenção.
REFERÊNCIAS
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- ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 7181: Solo – Análise granulométrica. Rio de Janeiro: ABNT, 2016.
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Apêndice
-
Financiamento: nenhum.
-
Reg. ABES: 20200349
Datas de Publicação
-
Publicação nesta coleção
28 Out 2022 -
Data do Fascículo
Nov-Dec 2022
Histórico
-
Recebido
04 Out 2020 -
Aceito
18 Jun 2022