5.3.1

A partir dos resultados obtidos, em especial, dos ensaios de caracterização do local e do comportamento real da estrutura, dimensionou-se o sistema de biorretenção utilizando-se os métodos da Curva-Envelope (URBONAS e STAHRE, 1993) e o apresentado pelo Low-Impact Development Hydrologic Analysis (EPA, 2000).

3.6.1. Método da Curva-Envelope – “Rain-envelope-method”

Para a aplicação do Método da Curva-Envelope foram utilizadas as instruções contidas no Plano Diretor de Drenagem Urbana de Porto Alegre (PDDrU Porto Alegre, 2005).

Na primeira abordagem do método empregou-se os dados dos ensaios de infiltração realizados no local, os dados monitorados da estrutura e os do teste de estresse. Foram efetuadas todas as etapas de cálculo sem nenhuma modificação, conforme os seguintes passos:

a) 1º Passo: para determinação do volume de projeto afluente à estrutura de infiltração ou percolação, utilizou-se a Equação 4. Desta forma, obteve-se o volume afluente acumulado através da multiplicação da vazão pelo tempo, para diversas durações de chuva. Onde Ve é volume total escoado no tempo t para uma precipitação de T anos de retorno (m3_{); C é o coeficiente de escoamento;}

IT é a intensidade da precipitação de T anos de retorno (l/s/ha), t a duração da precipitação (h) e A é a área da bacia de contribuição (ha).

V_e = 1,25. [3600. C. ( IT

1000) . t. A] (4)

Para o dimensionamento foi considerado que apenas as áreas impermeáveis estariam contribuindo para a estrutura, tendo um coeficiente de escoamento (C) entre 0,85 e 0,95 (URBONAS e STAHRE, 1993). E para a determinação da intensidade da precipitação foi utilizada a equação IDF (Equação 5) para o município de Santa Maria, apresentada por Roman (2015), onde (Tr) corresponde ao tempo de retorno em anos, e (t) ao tempo em minutos.

IDF =

(t+8,76)0,7258 (5)

b) 2º Passo: estimação das dimensões iniciais da biorretenção e determinação do volume da estrutura (Vt) para estas dimensões, usando-se a Equação 6, onde VT é o volume da estrutura (m3_{), L é o comprimento da estrutura (m), h é a}

altura da estrutura (m) e b é a largura da estrutura (m).

V_T = L. h. b (6) c) 3º Passo: construção da curva de volumes acumulados de saída (Vs), com base na condutividade hidráulica saturada e nas dimensões atuais, conforme Equação 7, onde Vs é o volume acumulado de saída para diversas durações t, k é a condutividade hidráulica saturada, Aperc é a área de infiltração ou percolação, e t é a duração da precipitação (h).

V_s = k.Aperc

2 . 3600. t (7)

Uma vez que, os solos tendem a se tornarem gradualmente colmatados com o tempo reduzindo sua condutividade hidráulica disponível, é recomendado que a condutividade hidráulica seja reduzida por um fator de segurança. Recomenda-se que o valor seja reduzido por um coeficiente de segurança 2 ou 3, de acordo com o local onde está inserida a estrutura de percolação.

A área de percolação (Aperc) corresponde à área das paredes laterais da estrutura de infiltração, podendo ser determinada pela Equação 8, onde h, b e L são as características das dimensões da biorretenção.

A_perc = 2. h. (b + L) (8) d) 4º Passo: identificação do ponto de máxima diferença entre as curvas de

volume afluente (Ve) e o volume de saída da estrutura (Vs), conforme Equação 9. A máxima diferença corresponde ao volume (V) da estrutura.

V = máx(V_e− V_s) (9) e) 5º Passo: determinação do volume necessário para o armazenamento (Vdim),

conforme Equação 10, onde ϕ é a porosidade do material. Vdim=

V

ϕ (10)

f) 6º Passo: Comparação do volume da biorretenção (Vt) com o volume de dimensionamento (Vdim):

 se Vt >>Vdim ⇒ reduzir as dimensões da estrutura e recomeçar no passo 3;

 se Vt < Vdim ⇒ aumentar as dimensões da estrutura e recomeça-se no passo 3;

 se Vt ≥ Vdim ⇒ fim do processo de dimensionamento.

Na segunda abordagem do método, os volumes de entrada são calculados pelo Método Racional sem o acréscimo de 25% ao volume calculado como Urbonas e Stahre (1993) recomendam.

Para a terceira abordagem, além da alteração nos volumes de entrada, são utilizadas as equações ajustadas de Horton para a determinação dos volumes de saída. Por fim, os resultados foram comparados e verificados com o comportamento real da biorretenção.

3.6.2. Método do LID hydrologic analysis

O método do LID Hydrologic Analysis (EPA, 2000) consiste, basicamente, na determinação do volume para que a vazão de pós-urbanização não supere a vazão máxima atual.

Não foi possível aplicar o passo-a-passo apresentado pelo Manual de Biorretenção (PGDER, 1993) para o dimensionamento, pois não há como considerar que terreno foi 100% impermeabilizado, como é o caso da estrutura construída.

Contudo, seguiu-se os princípios de análise hidrológica utilizados pelo EPA (2000), onde o volume da estrutura será a diferença do hidrograma de pós- urbanização com o de pré-urbanização mais o volume para o controle da vazão de pico de pré-urbanização. Assim, com o auxílio uma planilha de cálculo padrão, conforme Figura 34, foram desenvolvidos os seguintes passos:

a) 1º Passo: determinação do tempo de concentração para as condições de pré e pós-urbanização, utilizando a fórmula SCS Lag (Equação 11). Onde L é comprimento em m, S é a declividade do terreno em m/m e tc é o tempo de concentração em horas. (11) 𝑡𝑐 = 0,057. ( 1000 𝐶𝑁 − 9) 0,7 . 𝐿0,8_{. 𝑆}−0,5

b) 2º Passo: determinação da chuva de projeto com base na IDF de Santa Maria (Equação 5) e no uso do método dos Blocos Alternados. Para a separação do escoamento, é utilizado o modelo do SCS (1975) com base na Equação 12;

𝑃

=

𝑃+0,8.𝑆 (12)

onde P é a precipitação em mm, Pef é a precipitação efetiva em mm e S é armazenamento no solo em mm, estimado pela Equação 13.

𝑆 =

𝐶𝑁

− 254

c) 3º Passo: confecção do Hidrograma unitário triangular do SCS para as condições de pré e pós-urbanização.

d) 4º Passo: propagação do escoamento e determinação dos hidrogramas resultantes com uso da equação de convolução discreta (Equação 14), agoracom auxílio de outra planilha de cálculo (Figura 35).

𝑄_𝑡 = ∑𝑡_{𝑖=𝑡−𝑘+1}𝑃𝑒𝑓_𝑖. ℎ_{𝑡−𝑖+1} (14)

e) 5º Passo: cálculo dos volumes com utilização hidrogramas resultantes e do programa de cálculo Curve Expert.

f) 6º Passo: cálculo do volume para melhorar a qualidade de água, onde se devem armazenar os primeiros 12,5 mm de chuva efetiva.

g) 7º Passo: comparação entre os volumes encontrados nos passos 5 e 6.

Após o dimensionamento do sistema pelos métodos apresentados, foi realizada a análise dos resultados e posterior comparação entre os mesmos, buscando a metodologia de cálculo que melhor se adapte para as condições pedológicas e climáticas do município de Santa Maria.

Figura 34 - Planilha de cálculo padrão para a determinação da chuva efetiva e hidrograma unitário.

Fonte: Autora.

Figura 35 - Planilha de cálculo padrão para aplicação da convolução.