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Bacias de Retenção e Reservatórios

Uma das formas mais utilizadas de combate às inundações passa pela criação de sistemas de retenção que permitam fazer o chamado amortecimento de ondas de cheia.

Quando ocorre uma precipitação sobre uma determinada bacia hidrográfica, as águas são encaminhadas para pontos que se encontram a uma cota inferior, atingindo, no final do seu percurso, os rios e riachos que as conduzem de seguida até ao seu destino final.

Desta forma, as precipitações acabam por, irremediavelmente, provocar variações ao longo do tempo, numa dada secção do rio, levando ao surgimento de inundações nas zonas envolventes.

O hidrograma de uma onda de cheia é, exatamente, a representação da variação da vazão de uma dada secção do rio, isto é, os efeitos da bacia hidrográfica a montante desta secção sobre a distribuição temporal da chuva (Porto et al., 1998).

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Com a implementação de estruturas de retenção, uma onda de cheia, ao transitar por um reservatório, sofre um efeito de amortecimento, dado que existe uma parte do volume que fica retido no sistema, levando a que o caudal de saída seja menor que o caudal de entrada.

Como exemplos destas estruturas, destacam-se as bacias de retenção e os reservatórios. Relativamente ao primeiro caso, “as bacias de retenção são estruturas de armazenamento de águas pluviais, com o objetivo de regularizar os caudais, possibilitando a restituição a jusante de caudais compactáveis com o limite previamente fixado ou imposto pela capacidade de vazão de um coletor existente ou a construir.

A vantagem fundamental consiste, então, em permitir descarregar caudais muito inferiores aos que entram em regime de ponta, reduzindo os riscos de inundações” (Matias, 2006).

A implementação destes sistemas pode ser de carácter temporário – armazenando água durante um ou mais períodos específicos do ano – ou permanente – bacias com água todo o ano.

A escolha deve ser feita depois de se realizar uma cuidada análise das características da sua envolvente, nomeadamente, o terreno disponível, o enquadramento do território e as condições hidráulicas do escoamento.

Para além de servirem de amortecimento das ondas de cheia em alturas de grande precipitação, associadas a este tipo de infraestruturas estão também outras funções, como, por exemplo, armazenamento para rega, no caso de bacias permanentes, criação de áreas de recriação (campos desportivos e zonas ajardinadas), no caso de bacias de carácter temporário, ou até mesmo para funcionarem como lagos.

Aquando da sua edificação, é importante fazer modelações dos terrenos envolventes, de forma a promover uma adequada integração paisagística, construindo zonas alagáveis que não apresentem impactos sobre as edificações.

O seu dimensionamento e respetiva utilização devem ser feitos, sempre, de acordo com as funções a que se destinam, apresentando condições que minimizem problemas de segurança relativos a ruturas, bem como definir previamente locais para descargas de emergência (Alves, 2013).

Assim, é fundamental fazer previamente um estudo e uma recolha de dados, obtendo informações relativas à hidrologia do local – caudais afluente, funcionamento global do sistema de drenagem, situação e variação dos lençóis freáticos, etc.. É também essencial, aquando do dimensionamento, fazer uma caracterização do meio receptor e da rede de drenagem, de forma a poder tomar as decisões mais corretas e que potenciem todo o sistema.

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Posteriormente, e com base nos dados recolhidos, impõe-se selecionar e identificar os locais que melhor satisfaçam a implementação do sistema.

Por último, e tendo selecionado a zona a implementar a bacia, deve, então, proceder-se ao dimensionamento, quer hidráulico, quer das secções e formas da bacia.

No que se refere ao dimensionamento hidráulico, pode ser feito com base no Método Holandês – baseando toda a sua análise na estatística dos volumes (Martins, S., 2012).

Assim, a intensidade de precipitação pode ser obtida com base na seguinte expressão: 𝐼 = 𝑎(𝑇) × 𝑡_𝑟𝑏(𝑇) (1)

Onde:

 𝐼 é a intensidade de precipitação;  𝑇 corresponde ao período de retorno;  𝑡𝑟 refere-se à duração da precipitação útil.

Desta forma, é válido concluir que a intensidade de precipitação depende basicamente de apenas três fatores: da duração, do período de retorno e do local geográfico em causa.

𝐼 = 𝑓(𝑇, 𝑡𝑟) (2)

Quanto à altura de água precipitada num determinado instante, é: ℎ(𝑡) = 𝑓(𝑇, 𝑡_𝑟) × 𝑡 (3)

Onde:

 ℎ(𝑡) é a altura de água precipitada no instante 𝑡;  𝑡 é o instante considerado.

Relativamente ao volume de água afluente, este pode ser determinado da seguinte forma: 𝑉(𝑡) = 𝑓(𝑇, 𝑡_𝑟) × 𝐶 × 𝐴 × 𝑡

⟺ 𝑉(𝑡) = ℎ(𝑡) × 𝐶 × 𝐴 (4) Onde:

 𝑉(𝑡) é o volume de água afluente no instante 𝑡;  𝐶 é o coeficiente de escoamento;

 𝐴 é a área da bacia hidrográfica.

Considerando que o caudal afluente é constante, o volume acumulado num instante é dado por:

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59 Onde:

 𝑉_𝑎(𝑡) é o volume acumulado/armazenado na bacia de retenção no instante 𝑡;  𝑞 é o caudal afluente.

Ora, se:

𝑓(𝑇, 𝑡𝑟) × 𝐶 × 𝐴 > 𝑞 (6)

Assim, o volume será máximo, aproximadamente, no final da chuvada, sendo igual a: 𝑉_𝑎(𝑡𝑟) = [𝑓(𝑇, 𝑡𝑟) × 𝐶 × 𝐴 − 𝑞] × 𝑡𝑟 (7)

Este volume assume valores máximos quando: 𝜕𝑉_𝑎(𝑡_𝑟)

𝜕𝑡𝑟

= 0 (8) Que resulta em:

𝜕𝑓(𝑇, 𝑡_𝑟)

𝜕𝑡_𝑟 × 𝐶 × 𝐴 × 𝑡𝑟+ 𝑓(𝑇, 𝑡𝑟) × 𝐶 × 𝐴 − 𝑞 = 0 (9) Assim, fazendo as respetivas substituições na expressão supracitada, obtém-se:

𝜕𝐼

𝜕𝑡_𝑟× 𝐶 × 𝐴 × 𝑡𝑟+ 𝐼 × 𝐶 × 𝐴 − 𝑞 = 0 (10)

Por último, importa referir ainda que, após o seu dimensionamento e construção, é fundamental implementar manutenções periódicas e adequadas, de forma a garantir um correto funcionamento do sistema. Paralelamente e tendo em consideração que estes sistemas funcionam, também, como zonas de lazer para as populações, é necessário fazer também controlos periódicos e executar uma monitorização permanente da qualidade das águas.

Figura 14: São Paulo, Brasil, bacia de retenção, com o objetivo de regularizar caudais de cheia. (Adaptada de Bikemagazine)

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Relativamente aos reservatórios, estes sistemas apresentam “como principal função o armazenamento temporário da água, ou seja, o volume de água transferido para jusante é idêntico, mas com um intervalo de tempo maior, conseguindo, assim, um pico de escoamento máximo menor” (Alves, 2013).

Todos os reservatórios apresentam um limite no que concerne à capacidade máxima. Sempre que atingido, perde-se o efeito, pelo que todo o caudal que entra no reservatório é escoado para jusante, sem qualquer amortecimento.

A principal vantagem deste tipo de dispositivo passa pelo controlo do escoamento a jusante, sendo normalmente aplicado a bacias hidrográficas intermédias, diminuindo, deste modo, a frequência e intensidade de cheias nas zonas a jusante.

Como principal desvantagem, destaca-se a dificuldade de escolha do local para a sua implementação, sendo necessário estudar e analisar criteriosamente, tanto as bacias hidrográficas que pretende servir, como a ocupação do terreno, dado que, em grande parte das situações, estas estruturas apresentam dimensões e custos significativos.

No que diz respeito ao seu dimensionamento, para o amortecimento da onda de cheia, pode ser feito com base na equação da continuidade:

∫ 𝑄𝐸𝑑𝑡 𝑡2 𝑡1 − ∫ 𝑄𝑠𝑑𝑡 = 𝑉2− 𝑉1 𝑡2 𝑡1 (11)

Esta equação tem como premissa o princípio de que o volume de água armazenado num reservatório, num determinado período de tempo, é igual à quantidade de água que chega ao reservatório, QE, menos a quantidade de água que sai do reservatório, QS, no mesmo período

de tempo.

De forma simplificada, tem-se:

𝑄_𝐸 − 𝑄_𝑆 =𝜕𝑉

𝜕𝑇 (12) Onde:

 QE corresponde ao caudal afluente ao reservatório;

 QS corresponde ao caudal efluente do reservatório;

 𝜕𝑉

𝜕𝑇 representa a variação de volume armazenado no reservatório, num determinado

instante de tempo.

Sendo os reservatórios, na sua grande maioria, estruturas grandes e profundas, onde as dimensões horizontais apresentam pouca variação ao longo da sua extensão, o volume de

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água armazenado no sistema é diretamente proporcional ao nível do mesmo, o que facilita significativamente a resolução da equação.

Para o cálculo do amortecimento de uma onda de cheia através da construção de um reservatório, os dados necessários são: hidrograma de cheia, as condições do reservatório, bem como as restrições a montante e a jusante, no caso do dimensionamento da largura do vertedor.

Em relação ao hidrograma do caudal afluente ao reservatório, pode ser definido com base num estudo de cheias da bacia hidrográfica em causa, no caso de dimensionamento de vertedor. Para a sua obtenção, é possível recorrer a dados históricos ou, então, fazer uma previsão do que pode vir a ser o respetivo hidrograma.

Quanto às condições do reservatório, resumem-se, apenas, ao conhecimento da curva cota-volume do reservatório e das equações de descarga dos órgãos.

A curva cota-volume consiste na relação entre o nível de água do reservatório e o volume armazenado correspondente. No caso de se tratar de uma estrutura a ser construída num terreno natural, deve fazer-se um levantamento topográfico, de forma a poder-se determinar as medidas necessárias para o efeito.

Outra curva necessária é a da lei de vazão órgão de controlo do escoamento da água a jusante, sendo necessário definir a variação do caudal efluente em função das diferentes alturas da superfície livre.

No que se refere às condições de descarga, estas podem ser definidas por diferentes equações, consoante a forma do órgão de controlo.

Estas condições apresentam uma importância reforçada na futura gestão do sistema. As dimensões dos descarregadores têm grande influência nas condições de amortecimento e de armazenamento, uma vez que a dimensão do órgão é diretamente proporcional ao volume efluente e inversamente proporcional ao volume armazenado.

Paralelamente ao seu dimensionamento, a gestão de todo o processo é fundamental para o sucesso do sistema. Uma estrutura deste género, para além de ser utilizada como controladora de cheias, pode também ser utilizada para, por exemplo, abastecimento de cidades ou até mesmo para geração de energia.

No que concerne ao primeiro caso, o controlo é tanto mais eficiente quanto maior for a quantidade de água que se conseguir armazenar. Em época de cheias, deve ser possível armazenar um volume tal que o hidrograma de entrada do reservatório possa ser parcialmente retido, resultando em reduzidos caudais de descarga.

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Figura 15: Tóquio, Japão, o projeto G-Cans é considerado o maior sistema de drenagem construído pelo homem. (Adaptada de Hayo Magazine)

De forma a otimizar estes sistemas, hoje em dia, já existem reservatórios que funcionam de forma extremamente similares às barragens, apresentando comportas automatizadas, que permitem regular a abertura dos vertedores, permitindo um elevado controlo, em tempo real, de todas as fases do processo. Associando isto às mais avançadas técnicas de previsão meteorológica, é possível garantir que, em alturas de cheias, os reservatórios apresentem um nível de água reduzido, aumentando, assim, a capacidade de amortecimento de cheias, e, em tempo de baixa pluviosidade, possam armazenar significativas quantidades de água, para os mais diversos fins.

Como exemplo de todo este processo, temos a figura 16, que traduz a relação entre o volume de caudal ao longo do tempo, tanto para o hidrograma de entrada, como para o hidrograma de saída.

Figura 16: Relação entre o hidrograma de entrada e o hidrograma de saída. (Adaptada de Porto et al., 1998)

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Sendo que V1 corresponde ao volume armazenado no reservatório no espaço de tempo considerado e P1 – ponto onde os dois hidrogramas se intercetam – corresponde à máxima vazão de saída, dado que a curva de descarga é crescente, consoante o nível da água, e neste ponto o volume armazenado é máximo (Porto et al., 1998).

Trincheira de Infiltração

Este sistema tem como principal objetivo e funcionalidade a diminuição da velocidade da água, possibilitando que esta ganhe tempo suficiente para se poder infiltrar no solo ou, então, encaminhar até um destino final definido – poço de infiltração, coletor, etc..

Dado que um volume significativo de água é absorvido pelo solo durante o percurso, o volume final que atinge cursos de água é significativamente mais reduzido, provocando, assim, uma diminuição da onda de cheia e minimizando o risco de inundações.

É, de facto, possível amortecer os escoamentos máximos, apresentando um forte impacto na diminuição de problemas associados à saturação do sistema de drenagem, tendo ainda como principal vantagem a capacidade de contribuir para o recarregamento das águas subterrâneas existentes nas zonas envolventes, possibilitando, simultaneamente, a redução de poluentes existentes nas águas processadas (Alves, 2013).

Figura 17: Representação esquemática de uma trincheira de infiltração. (Adaptada de Martins, S., 2012)

A alimentação deste sistema de infiltração pode ser feita de forma direta, através da escorrência de águas superficiais, ou, então, através de uma rede de coletores que encaminha as águas para o sistema em causa.

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Na sua constituição, a trincheira de infiltração apresenta uma camada superficial – podendo ser composta por lajes, blocos de material poroso, seixos ou cobertura vegetal –, seguida de uma camada interior, drenante, que constitui o núcleo da trincheira – composta, na maioria das situações, por brita, blocos, estruturas alveolares ou materiais reutilizados como, por exemplo, pneus. Esta camada é usualmente envolta numa malha de geotêxtil ou em areia, formando uma camada protetora e filtrante das mais diversas matérias poluentes.

Relativamente à saída da água, pode processar-se de duas formas: de uma forma distribuída, através de infiltração direta no solo envolvente da trincheira, ou de uma forma localizada, através de um ou mais drenos, encaminhando posteriormente a água para uma câmara de visita a jusante.

Considerando os grandes problemas de inundações causados pela crescente impermeabilização dos solos, este sistema assume um papel de relevo na tentativa de minimização dos impactos negativos. Aliás, é cada vez mais utilizado nos mais diversos ambientes urbanos, tendo em conta a sua fácil integração, a sua elevada capacidade de harmonização da paisagem, bem como a valorização do espaço e uma execução relativamente fácil, a um custo extremamente acessível.

Figura 18: Trincheira de infiltração usada num parque de estacionamento, na Austrália. (Adaptada de Geowater, 2009)

Na Europa, tem-se assistido a um crescente investimento na investigação, desenvolvimento e aperfeiçoamento deste mecanismo. Na Alemanha, foi mesmo concebido um novo sistema, chamado swale-infiltration-trench-system, que combina três funções: a de infiltração, maximizada em função das características de permeabilidade do solo; a de retenção ou armazenamento; a de transporte da eventual água pluvial remanescente, através

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de coletor, em situações em que tal seja necessário para garantir condições adequadas de drenagem.

Extremamente vantajosa em inúmeros aspetos, a trincheira de infiltração exige, no entanto, que se tenha em conta um conjunto de preocupações e de cuidados, para se salvaguardar o seu correto funcionamento.

Aquando da sua conceção, deve ter-se em atenção a zona em causa, analisando-se se esta apresenta restrições legais em termos de infiltração, se existe uma distância mínima adequada entre o nível freático de inverno e a base da trincheira – caso contrário, nas alturas de maior precipitação, a funcionalidade da trincheira fica seriamente comprometida –, se os níveis superiores do solo, bem como o respetivo solo de fundação, são suficientemente permeáveis e se as águas de escorrência pluvial não apresentam riscos de poluição elevada.

Após o seu dimensionamento e instalação, deve ainda fazer-se, regularmente, circuitos de inspeção e de manutenção, a fim de se prevenir o surgimento de colmatações e de outros problemas que possam por em causa o correto funcionamento do sistema.

Pavimentos Permeáveis ou Pavimentos Reservatório

A crescente construção de estradas e de pavimentos tem, no contexto atual, um forte impacto no aumento da frequência de cheias e de inundações. Com o aumento da impermeabilização das áreas urbanas, a capacidade dos solos de amortecer as ondas de cheia torna-se reduzida.

Assim, e de forma a fazer face a este problema, começou a ser empregue, nas mais diversas construções, o chamado pavimento permeável ou pavimento reservatório, que apresenta as mesmas funções estruturais que um pavimento tradicional, tendo como principal vantagem o facto de possuir uma maior capacidade de redução do escoamento das águas superficiais que precipitam e escorrem no mesmo.

Na sua grande maioria constituído por uma camada superficial composta por um revestimento drenante assente numa ou num conjunto de camadas granulares de elevada porosidade – podem ser materiais granulares, misturas betuminosas, betões porosos, materiais alveolares em plástico ou até mesmo materiais reciclados como, por exemplo, pneus usados –, este pavimento permite promover a absorção das águas pelo solo, ao mesmo tempo que também possibilita o armazenamento de um volume significativo.

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Figura 19: Representação esquemática da disposição dos diferentes constituintes dos pavimentos permeáveis (Adaptada de Propostas Sustentáveis para Belo Horizonte)

Na base do funcionamento deste tipo de pavimento está a capacidade de armazenamento temporário da água na sua camada de base, frequentemente da ordem dos 40 a 50 cm, situação que possibilita a restituição, a jusante, de caudais mais reduzidos, tendo como destino final um meio recetor superficial – através de coletor ou dreno – ou o solo de fundação do pavimento – através de infiltração pela sub-base.

Desta forma, concilia-se a sua função primordial de permitir a circulação de veículos e pessoas e uma função hidráulica de armazenamento similar à de uma bacia de retenção.

Figura 20: Representação esquemática da saída da água absorvida pelos pavimentos, por via da aplicação de drenos. (Adaptada de Infraestrutura Urbana)

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A saída da água pode ser efetuada de duas maneiras: ou de uma forma distribuída, promovendo a infiltração direta no terreno da fundação, ou de uma forma localizada, através de drenos de saídas para uma câmara de visita munida a jusante de um dispositivo de regulação do caudal.

Relativamente aos caudais armazenados, podem, posteriormente, ser encaminhados e usados para os mais diversos fins.

Este tipo de “pavimento comporta-se como um reservatório de amortecimento, reduzindo o pico do escoamento superficial e alargando a base do hidrograma. Estudos de diferentes pesquisadores e projeções apoiadas em modelação matemática e observações de campo indicam que a eficiência é da ordem de 66%” (Martins, J., 2012).

Figura 21: Exemplo do comportamento de um pavimento permeável, em termos de caudal afluente e efluente. (Adaptada de Martins, J., 2012)

Apresenta ainda um conjunto de vantagens significativas no que se refere à melhoria da qualidade da água, sendo que os mais recentes estudos experimentais em protótipos assinalam eficiências de redução sensíveis quanto a sólidos suspensos – entre 50% e 90% –, de carga orgânica – entre 50% e 70% – e de metais, nomeadamente, de chumbo – entre 75% e 95%. Apresenta também impactos muito positivos no que concerne à recarga de aquíferos.

Figura 22: Diferentes tipos de pisos permeáveis.

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Considerando que, na grande maioria dos casos, a camada de desgasta é porosa, este pavimento, quando instalado em estradas e vias de comunicação, acrescenta um conjunto de vantagens e melhorias significativas no que se refere à segurança na condução em períodos de chuva, reduzindo os riscos de aquaplanagem, aumentando a visibilidade das marcas horizontais e melhorando o conforto, através de uma redução dos níveis de ruído.

Como principais inconvenientes, destaca-se a necessidade de fazer regularmente circuitos de inspeção e de manutenção, de forma a prevenir o surgimento de colmatações e de outros problemas que possam por em causa o correto funcionamento de todo o sistema. Apresenta também uma maior facilidade no que diz respeito à formação de gelo em situações de baixas temperaturas, levantando, portanto, problemas de segurança para os utilizadores.

Na sua conceção, deve atender-se a um conjunto de fatores, nomeadamente, as condições geotécnicas e topográficas, a taxa de ocupação do solo onde implementar o pavimento, bem como outros aspetos relacionados com as imposições legais referentes à qualidade das águas subterrâneas na zona em questão.

Deve também ser feito, sempre, um dimensionamento, quer estrutural, quer de hidráulica, de forma a garantir-se que o pavimento apresente um excelente desempenho durante o seu período de vida.

Nesta fase, deve ainda ser determinado o volume drenado pela superfície e todas as restantes contribuições. No dimensionamento de um sistema deste género, é muito importante que o reservatório apresente dimensões suficientemente grandes, de forma a poder acumular o volume de escoamento de um evento menos o volume de escoamento que é infiltrado nesse mesmo período de tempo.

Este volume pode ser obtido através da seguinte expressão: 𝑉_𝑟 = (𝑖_𝑝+ 𝑐 − 𝑖_𝑐) × 𝑡_𝑑 (13) Onde:

 𝑉𝑟 corresponde à altura de chuva retida pelo reservatório;

 𝑖_𝑝 é a intensidade máxima de precipitação;  𝑖_𝑐 é a taxa de infiltração no solo;

 𝑡𝑑 é o tempo de duração da chuvada;

In document KIRKEVALGET 2011. EVALUERING (sider 88-91)