UNIVERSIDADE DO EXTREMO SUL CATARINENSE - UNESC
CURSO DE ENGENHARIA CIVIL
LEONARDO FONTANELA
AVALIAÇÃO DE METODOLOGIAS PARA DIMENSIONAMENTO DE
RESERVATÓRIOS PARA APROVEITAMENTO DE ÁGUA PLUVIAL
CRICIÚMA, JUNHO DE 2010
LEONARDO FONTANELA
AVALIAÇÃO DE METODOLOGIAS PARA DIMENSIONAMENTO DE
RESERVATÓRIOS PARA APROVEITAMENTO DE ÁGUA PLUVIAL
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como
requisito para obtenção do grau de Engenheiro Civil, no
curso de Engenharia Civil da Universidade do Extremo Sul
Catarinense, UNESC.
Orientador: Prof. Dr. Álvaro José Back
CRICIÚMA, JUNHO DE 2010
LEONARDO FONTANELA
AVALIAÇÃO DE METODOLOGIAS PARA DIMENSIONAMENTO DE
RESERVATÓRIOS PARA APROVEITAMENTO DE ÁGUA PLUVIAL
Trabalho de Conclusão de Curso aprovado pela Banca
Examinadora para obtenção do grau de Engenheiro Civil,
no curso de Engenharia Civil da Universidade do
Extremo Sul Catarinense, UNESC, com Linha de
Pesquisa em Hidrologia e Hidráulica.
Criciúma, 23 de Junho de 2010.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Álvaro José Back - Doutor - (UNESC) - Orientador
Prof. Esp. Alexandre Vargas - Engenheiro Civil - (UNESC)
Prof. Esp. Nestor Back - Engenheiro Civil - (UNESC)
Minha dedicatória é para as pessoas que
racionalizam a água neste planeta, e anseio
que esta quantidade eleve-se cada vez
mais.
AGRADECIMENTO
A verdadeira gratidão tem maior sentido
quando encontra-se a realização.
Por isto, agradeço imensamente a todos que
contribuíram para a realização desta pesquisa,
em especial ao professor Álvaro José Back
pela orientação e auxílio.
À minha família e amigos, que tanto apoiaram e
acreditaram no meu sucesso em mais esta
etapa.
E sobretudo a Deus.
“Não tenhamos pressa, mas não percamos tempo.”
José Saramago
RESUMO
A consciência ambiental vem sendo cada vez mais assimilada por todos nós.
Projetos de redução do consumo e reuso dos recursos naturais são empregados a
cada dia mais. A exemplo disto, é o aproveitamento de águas pluviais em
residências, onde um sistema é facilmente empregado trazendo muitas vantagens.
Para um sistema como este, é imprescindível a instalação de um reservatório para
armazenamento da água pluvial coletada. Este, sendo um dos itens de maior custo
no projeto, deve passar por um dimensionamento do seu volume para obter a
melhor relação custo/benefício. Desta forma, o presente trabalho visa pesquisar e
estudar os métodos mais utilizados para este dimensionamento, realizando sua
aplicação em uma séria pluviométrica da região sul de Santa Catarina. Foram
simuladas condições para esta aplicação, estudando quatro dimensões de
residências para faixas de consumo de água e percentuais de atendimentos
diferentes. Com os resultados para estas variações, obtem-se elementos para
consulta futura (gráficos e tabelas), bem como uma planilha para simulação de
volumes do reservatório através do Método da Simulação do Reservatório ou
Balanço Hídrico Seriado.
Palavras-chave: Aproveitamento, Águas Pluviais, Dimensionamento, Métodos.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 01 - Distribuição de água no planeta..............................................................17
Figura 02 - Distribuição mundial do consumo de água. ............................................22
Figura 03 - Planilha de cálculo para dimensionamento do volume do reservatório Método do Balanço Hídrico Seriado..........................................................................41
Figura 04 - Resultados obtidos para área de coleta de 50 m²...................................43
Figura 05 - Resultados obtidos para área de coleta de 100 m².................................44
Figura 06 - Resultados obtidos para área de coleta de 200 m².................................46
Figura 07 - Resultados obtidos para área de coleta de 400 m².................................48
Figura 08 - Volume do reservatório, Método Azevedo Neto......................................49
Figura 09 - Volume do reservatório, Método Prático Alemão ....................................52
Figura 10 - Volume do reservatório, Método Prático Inglês ......................................55
Figura 11 - Resultados da aplicação do Método Prático Australiano.........................57
LISTA DE TABELAS
Tabela 01 - Produção hídrica no mundo por região ..................................................18
Tabela 02 - Proporção de área territorial, disponibilidade de água e população para
as cinco regiões do Brasil..........................................................................................19
Tabela 03 - Grau de pureza x local de coleta x utilização das águas pluviais...........21
Tabela 04 - Distribuição do consumo de água residencial em São Paulo.................23
Tabela 05 - Coeficientes de escoamento superficial .................................................32
Tabela 06 - Consumo unitário por ponto ...................................................................33
Tabela 07 - Ocupação x área da residência..............................................................34
Tabela 08 - Demanda de água não potável por ponto de consumo..........................34
Tabela 09 - Valores máximos e mínimos de demanda empregada. .........................35
Tabela 10 - Resultados obtidos para área de coleta de 50 m². .................................43
Tabela 11 - Resultados obtidos para área de coleta de 100 m²................................44
Tabela 12 - Resultados obtidos para área de coleta de 200 m²................................45
Tabela 13 - Resultados obtidos para área de coleta de 400 m²................................47
Tabela 14 - Precipitação anual..................................................................................51
Tabela 15 - Resultados da aplicação do Método Prático Alemão .............................52
Tabela 16 - Resultados da aplicação do Método Prático Inglês................................54
Tabela 17 - Resultados da aplicação do Método Prático Australiano .......................56
Tabela 18 - Resultados da aplicação do Método de Rippl ........................................59
Tabela 19 - Número máximo de dias consecutivos sem chuva no ano, em ordem
decrescente...............................................................................................................60
Tabela 20 - Determinação do número de dias e período de retorno. ........................62
Tabela 21 - Determinação do número de dias e período de retorno (tabela consulta)
..................................................................................................................................63
Tabela 22 - Volume de chuva captável em 22 dias...................................................64
Tabela 23 - Percentual de atendimento do reservatório............................................64
Tabela 24 - Comparativo de volumes do reservatório entre os métodos ..................65
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANA - Agência Nacional de Águas
acum. - acumulado
arred. - arredondado
descargas/hab/dia - descargas por habitante por dia
Epagri - Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina
F - frequência
hab - habitantes
km² - quilômetros quadrados
km³ - quilômetros cúbicos
km³/ano - quilômetros cúbicos por ano
L - litros
L/dia - litros por dia
L/descarga - litros por descarga
L/m² - litros por metro quadrado
m² - metros quadrados
m³ - metros cúbicos
mm - milímetros
NBR - Norma Brasileira Regulamentadora
ONU - Organização das Nações Unidas
PROSAB - Programa de Pesquisas em Saneamento Básico
pH - potencial hidrogeniônico
PVC - policloreto de vinilo
SC - Santa Catarina
s/r - sem registro
T - tempo de retorno
utilizações/mês - utilizações por mês
vol. - volume
% - porcentagem
“in loco” - no local
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .............................................................................................. 13
1.1 Tema .......................................................................................................... 14
1.2 Delimitação do Tema ................................................................................. 14
1.3 Problemas da Pesquisa.............................................................................. 14
1.4 Objetivos .................................................................................................... 14
1.4.1 Objetivo geral .......................................................................................... 14
1.4.2 Objetivos específicos............................................................................... 15
1.5 Justificativa................................................................................................. 15
2 REFERENCIAL TEÓRICO............................................................................ 17
2.1 Disponibilidade de Recursos Hídricos a Nível Mundial .............................. 17
2.2 Disponibilidade de Recursos Hídricos no Brasil ......................................... 18
2.3 Aproveitamento de Água Pluvial ................................................................ 20
2.3.1 Qualidade da água pluvial ....................................................................... 20
2.3.2 Usos da água pluvial ............................................................................... 22
2.4 Métodos para Dimensionamento de Reservatórios.................................... 23
3 MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................ 30
3.1 Variáveis..................................................................................................... 30
3.1.1 Área de contribuição................................................................................ 30
3.1.2 Demanda................................................................................................. 33
3.1.3 Precipitação............................................................................................. 35
3.1.4 Calhas e coletores pluviais...................................................................... 36
3.1.5 Reservatórios e cisternas ........................................................................ 36
3.2 Aplicação do Balanço Hídrico Seriado ....................................................... 39
4 RESULTADOS OBTIDOS ............................................................................ 42
4.1 Método do Balanço Hídrico Seriado........................................................... 42
4.1.1 Área de coleta: 50 m² .............................................................................. 43
4.1.2 Área de coleta: 100 m² ............................................................................ 44
4.1.3 Área de coleta: 200 m² ............................................................................ 45
4.1.4 Área de coleta: 400 m² ............................................................................ 46
4.2 Método Azevedo Neto ................................................................................ 48
4.3 Método Prático Alemão .............................................................................. 50
4.4 Método Prático Inglês................................................................................. 53
4.5 Método Prático Australiano ........................................................................ 55
4.6 Método de Rippl ......................................................................................... 58
4.7 Método A - Seca Máxima Anual ................................................................. 59
5. CONCLUSÃO .............................................................................................. 66
REFERÊNCIAS................................................................................................ 67
13
1 INTRODUÇÃO
Atualmente as questões ambientais estão sendo cada vez mais focadas pela
sociedade, devido a grande preocupação dos serem humanos em tentar minimizar
os impactos que os próprios causam no meio ambiente durante seu período de vida.
Os conceitos de redução de impacto, reciclagem de materiais e reuso de
recursos estão sendo muito valorizados e discutidos, pois com o advento da
globalização do planeta surgiu também a consciência para o meio ecológico. O ciclo
formado pelos três “R” (Redução, Reciclagem e Reuso) é uma nova preocupação e
engloba quase tudo que nos deparamos hoje em termos de consumismo no dia a
dia das sociedades. A consciência adquirida com o receio de faltar recursos naturais
em um futuro próximo nos leva a aprofundar os estudos em métodos para reduzir o
consumo e reutilizá-los posteriormente.
A água, que é um elemento essencial à vida desde a origem da Terra, faz
suprir as necessidades de sobrevivência e é de fundamental importância nas
atividades econômicas, sendo responsável pelo desenvolvimento de muitas
civilizações. Porém, a água vem sendo muito degradada pela ação do homem nas
suas diversas utilizações, onde destrói alagados, rios, polui os mananciais, entre
outros, diminuindo a qualidade da água disponível no estado líquido.
Desta forma, a redução do consumo através da reutilização da água é uma
das diversas maneiras de recuperar a degradação do meio ambiente. Um dos
métodos mais eficientes de reaproveitamento de água é através da captação da
água da chuva que incide diretamente nos telhados das residências e edificações.
Sendo reaproveitada para fins não potáveis, existe uma série de aplicações deste
recurso, seja no consumo interno e externo das residências, na utilização industrial e
também na agricultura.
Existem diversos métodos para dimensionamento dos reservatórios de
armazenamento de água de chuva, que podem levar a valores discrepantes entre si.
Como o custo do reservatório é um dos itens mais altos sobre o custo total, o
dimensionamento inadequado pode inviabilizar economicamente o projeto de
captação de água da chuva.
14
1.1 Tema
Metodologia para dimensionamento de reservatórios para aproveitamento de
água pluvial.
1.2 Delimitação do Tema
Aplicação do método do Balanço Hídrico Seriado para dimensionamento de
reservatórios de água pluvial, e comparativo com demais métodos existentes.
1.3 Problemas da Pesquisa
Ao se optar em instalar um sistema de reaproveitamento de águas pluviais em
uma residência, deve-se obervar alguns fatores importantes para a viabilidade do
projeto. O reservatório ou cisterna que acumula a água da chuva é um item que
deve receber atenção especial, pois tem a maior participação dentro do custo do
sistema.
Para se obter o volume mais adequado do reservatório é necessário
empregar uma metodologia de cálculo, sendo que existem várias disponíveis.
Utilizando o Balanço Hídrico Seriado obtem-se o volume mais adequado a situação,
visto que o mesmo traz o resultado obtido proveniente de uma análise diária da
precipitação de chuva de uma série histórica geralmente grande.
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo geral
•
Realizar estudos das metodologias para o dimensionamento de reservatórios
para aproveitamento de água da chuva em estabelecimento residencial.
15
1.4.2 Objetivos específicos
•
Pesquisar os métodos mais utilizados para dimensionamento do volume de um
reservatório para coleta de água pluvial.
•
Realizar estudo comparativo entre as diversas metodologias utilizando dados
pluviométricos da região sul de Santa Catarina.
•
Determinar as variáveis e suas características que influenciam nos cálculos
utilizados em cada método pesquisado.
•
Elaborar gráficos e tabelas de consultas para o dimensionamento dos
reservatórios envolvendo as variáveis: área de captação, demanda de água e
dados pluviométricos.
•
Elaborar uma planilha de cálculo para o dimensionamento de reservatórios pelo
método do Balanço Hídrico Seriado.
1.5 Justificativa
A disponibilidade de água das chuvas e a necessidade de conscientização
não descartam a estudo de uma avaliação prévia para a implantação de um sistema
de reaproveitamento. Estudo este, tem como objetivo analisar a viabilidade técnicaeconômica do projeto, que inclui várias etapas e fatores determinantes para o
sucesso pretendido.
O regime pluviométrico em Santa Catarina, a área da captação e a demanda
real de utilização, entre outros, são itens que viabilizam ou inviabilizam o projeto
técnico a ser construído para que a água chegue no ponto de consumo proposto. E
faz parte deste projeto o reservatório destinado ao armazenamento da água
coletada para posterior distribuição nos pontos da edificação, sendo que o mesmo
interfere significativamente na questão econômica do projeto a ser implantado. Esta
interferência está ligada diretamente no custo do reservatório ou cisterna, que ao ser
dimensionado inadequadamente para cada sistema, pode inviabilizar totalmente o
projeto. Do contrário também se faz verdadeiro, um sistema com uma cisterna de
dimensionamento adequado pode trazer bons resultados, impactantes a um menor
tempo de retorno do investimento.
16
Assim sendo, torna-se de suma importância aprimorar e aprofundar estudos
neste item específico (reservatório de armazenamento da água pluvial), iniciando-se
pela objetivação da metodologia mais adequada para a definição do volume do
reservatório.
As metodologias utilizadas para este dimensionamento se traduzem em
métodos específicos que envolvem considerações diferentes, variáveis diferentes e
que se traduzem em análise de resultados também diferentes. E por esta razão que
é muito válido tentar compreendê-los para se obter um conceito do método com
maior eficiência a ser aplicado na prática.
17
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Disponibilidade de Recursos Hídricos a Nível Mundial
Entende-se como a disponibilidade de recursos hídricos, todos os recursos de
água existente em determinada região ou bacia hidrográfica, independente para qual
uso for e onde encontrar-se armazenada, tanto superficiais quanto subterrâneas
(MARINOSKI, 2007).
Os recursos hídricos representam um patrimônio público essencial ao
desenvolvimento econômico e social, sendo que seu planejamento e eficaz gestão
devem ser em conta para que haja um desenvolvimento sustentável da população
(KOCH, 2007). Esta disponibilidade do recurso tão essencial à vida se traduz em
números que para grande maioria das pessoas são interpretados como infinitos pela
expressão elevada de representatividade dos mesmos. Porém, ao se detalhar esses
números, vemos que este recurso é finito e se torna cada vez mais escasso, sendo
que, no planeta Terra quatro quintos (4/5) da superfície é abrangida por água, porém
apenas 0,3% do volume pode ser aproveitado para o consumo humano (BRASIL,
2004).
Figura 01 - Distribuição de água no planeta. Fonte: Brasil (2004).
18
O volume de água no planeta é estimado em 1.386 milhões de km³, dispostos
nos oceanos, rios, lagos, geleiras, calotas polares e aquíferos. De água na forma
sólida, têm-se 68,9% de água doce, 30,8% nos reservatórios subterrâneos e apenas
os 0,3% acessíveis ao consumo humano encontrada em rios, lagos e em alguns
mananciais subterrâneos. Portanto, de 1.386 milhões de km³ nos restam 100 mil
km³, os 0,3% tornam-se então extremamente reduzidos.
A água no planeta Terra está distribuída de forma não uniforme, pois as
características do ciclo hidrológico não são homogêneas, sendo que na Ásia e na
América do Sul se concentram os maiores volumes disponíveis. A Ásia detém a
maior parcela mundial deste recurso, representando 31,6% com vazões de 458.000
km³/ano. Os menores potenciais são encontrados na Oceania, Austrália e Tasmânia
(TOMAZ, 1998). Os valores de produção hídrica por região do mundo estão
apresentados na tabela 01.
Tabela 01 - Produção hídrica no mundo por região. Fonte: TOMAZ, 1998.
Região do Mundo
Vazão (km³/ano)
Participação (%)
Ásia
458.000
31,6
América do Sul
334.000
23,1
América do Norte
260.000
18,0
África
145.000
10,0
Europa
102.000
7,0
Antártida
73.000
5,0
Oceania
65.000
4,5
Austrália e Tasmânia
11.000
0,8
Total
1.448.000
100,00
2.2 Disponibilidade de Recursos Hídricos no Brasil
Para Macedo (2004), o Brasil é considerado pela ONU como um país ‘rico em
água’, pois detém aproximadamente 12% da água doce do planeta. O país se
destaca por possuir uma vazão média de água de 177.900 km³/ano, que
corresponde a 53% da vazão média total da América do Sul. As principais bacias
hidrográficas do Brasil são a do Rio Amazonas, do Tocantins-Araguaia, do São
19
Francisco, do Atlântico Norte-Nordeste, do Uruguai, do Atlântico Leste, do Atlântico
Sul e Sudeste, dos Rios Paraná e Paraguai.
A maior rede hidrográfica mundial é a da Bacia Amazônica, que abrange uma
área de drenagem da ordem de 6.112.000 Km², ocupando cerca de 42% da
superfície do território brasileiro e se estendendo além da fronteira da Venezuela à
Bolívia (MARINOSKI, 2007).
Outro local de grande armazenamento de água é em reservatórios
subterrâneos. E é no Brasil que está inserido geograficamente 71% de um dos
maiores mananciais de água subterrânea do mundo, o Aquífero Guaraní, que cobre
uma superfície de quase 1,2 milhões de km², fazendo parte da Bacia Geológica
Sedimentar do Paraná. O Aquífero Guaraní abrange também territórios do Uruguai e
Argentina, sendo que constitui-se a principal reserva de água subterrânea da
América do Sul, com um volume estimado em 46 mil km³ (AQUÍFERO GUARANÍ,
2010).
Apesar de o território brasileiro apresentar grande disponibilidade deste
recurso, o mesmo não está distribuído uniformemente pelo país, havendo um grande
desequilíbrio entre oferta de água e demanda. Isto significa que a abundância de
água não necessariamente indica qualidade do recurso, pois a concentração urbana
está na contramão desta disponibilidade hídrica (BORGES, 2009). A tabela 02
mostra a proporção de área territorial, disponibilidade de água e população para as
cinco regiões do Brasil.
Tabela 02 - Proporção de área territorial, disponibilidade de água e população para as cinco
regiões do Brasil (GHISI, 2010).
Região
Área Territ. (%)
Disponib. Água (%)
População (%)
Norte
45
69
8
Nordeste
18
3
28
Sudeste
11
6
42
Sul
7
6
15
Centro-Oeste
19
16
7
Total
100
100
100
Com estes indicadores verifica-se no Brasil, que as regiões mais populosas
são justamente as que possuem menor disponibilidade de água, por outro lado onde
20
há muita água ocorre baixo índice populacional. A exemplo disso pode-se citar a
Região Sudeste do Brasil, que dispõe de um potencial hídrico de apenas 6% do total
nacional, porém conta com 43% do total de habitantes do país. Enquanto a Região
Norte, que compreende a Bacia Amazônica, apresenta 69% de água disponível,
contando com apenas 8% da população brasileira, para a análise de Marinoski
(2007).
2.3 Aproveitamento de Água Pluvial
A disponibilidade da água para o aproveitamento humano vem diminuindo,
conforme as estatísticas mostram. As reservas estão cada vez menores, o consumo
está cada vez maior e dentro deste contexto forçamos-nos a encontrar formas de
reaproveitamento de água, sendo uma delas a coleta de água pluvial. Porém, esta
medida não foi ‘criada’ no século XX ou XXI. Para pesquisadores do Instituto de
Pesquisas Técnicas (IPT) a prática do aproveitamento de água de chuva no Brasil
remonta aos primeiros assentamentos na época do Descobrimento, sendo que a
atual conjuntura renova a oportunidade dessa medida sob a égide da
sustentabilidade.
Para May (2004), existem vários aspectos positivos no uso de sistemas de
aproveitamento de água pluvial, pois estes possibilitam reduzir o consumo de água
potável
diminuindo
os
custos
de
água
fornecida
pelas
companhias
de
abastecimento. Assim, minimizam-se riscos de enchentes e preserva-se o meio
ambiente.
2.3.1 Qualidade da água pluvial
A água precipitada na forma de chuva é apenas uma das fases componentes
de todo um ciclo hidrológico desenvolvido constantemente na natureza. Sua
formação passa por toda a atmosfera, em várias formas, ambientes, temperaturas e
processos que modificam suas propriedades até serem captadas para reutilização.
De acordo com Zolet (2005), estão presentes na atmosfera uma mistura de
gases na forma de partículas sólidas e líquidas em suspensão. E a formação da
chuva, de uma forma genérica, é o resultado da combinação entre gotículas que
21
formam as nuvens e de substâncias que a elas se incorporam durante a
precipitação.
Então, sendo de conhecimento que a água da chuva apresenta propriedades
químicas, elas podem sofrer variações conforme vários fatores, como as cargas
poluentes na atmosfera, as condições meteorológicas, as estações do ano, duração
e intensidade da precipitação, localização geográfica e até mesmo o regime dos
ventos. Para Jaques (2005), essas variantes influenciam de modo natural a
modificar as propriedades da água que precipita na superície terrestre, como o pH.
Para o emprego da água da chuva nas residências, é necessário então ter um
mínimo de qualidade deste material. Pode ser realizada uma classificação prévia
conforme o seu grau de pureza, baseado no local de coleta da água da chuva. A
tabela 03 mostra esta relação.
Tabela 03 - Grau de pureza x local de coleta x utilização das águas pluviais. Fonte: ZOLET
(2005), citando FENDRICH (2002) apud GROUP RAINDROPS (1995).
Grau de
Área de Coleta das Águas
Pureza
Pluviais
A
B
C
D
Telhados (locais não usados por
pessoas e animais)
Coberturas, sacadas (locais
usados por pessoas e animais)
Estacionamentos e jardins
artificiais
Vias elevadas, Estradas de
Ferro e Rodovias
Utilização das Águas Pluviais
Vaso sanitário, rega de plantas e outros
usos. Se purificadas por tratamento
simples são potáveis ao consumo.
Vaso sanitário, rega de plantas e outros
usos, mas impróprias para consumo.
(tratamento necessário)
Vaso sanitário, rega de plantas e outros
usos, mas impróprias para consumo.
(tratamento necessário)
Vaso sanitário, rega de plantas e outros
usos, mas impróprias para consumo.
(tratamento necessário)
22
2.3.2 Usos da água pluvial
A utilização da água reaproveitada é muito bem vinda em todos os setores,
residencial, agrícola e industrial. Os seus diferentes usos para fins não potáveis
podem ser enfocados em vários itens.
Altos índices de aproveitamento de água podem ser implantados na área
agrícola, pois de acordo com Rebouças (1994 apud PROSAB, 2006) o uso de água
na agricultura ocorre de forma ineficiente, com desperdício estimado de 60% de toda
a água despendida para este setor. Atualmente, o setor que mais consome água
doce no mundo é o agrícola, seguido pelo consumo doméstico e industrial. (figura
02)
Indústria
7%
Dom éstico
23%
Agricultura
70%
Figura 02 - Distribuição mundial do consumo de água. Fonte: PROSAB, 2006.
Nas residências, além da irrigação de jardins, limpeza doméstica, lavação de
veículos, piscinas, entre outros, o principal uso de água ocorre em atividades de
higiene pessoal e limpeza. A tabela 03 apresenta uma distribuição do consumo de
água residencial na cidade de São Paulo.
Com base na tabela 04, que representa uma realidade de consumo, tem-se
que um dos grandes vilões do consumo de água residencial são os aparelhos de
vasos sanitários. Uma grande problemática é que este ponto de consumo, bem
como os demais que entram no somatório de 44% de uso de água não potável
(nesta pesquisa) não necessitaria de água potável ou tratada oferecida pelas
concessionárias e distribuidoras de água municipais ou mesmo por poços, para seu
funcionamento. Esta seria uma premissa para tentar ao menos economizar água
potável nesta aplicação, e sendo muito bem utilizada em um sistema de
reaproveitamento de águas pluviais. As águas pluviais também podem ser usadas
em sistemas preventivos contra incêndios em qualquer tipo de edificação.
23
Tabela 04 - Distribuição do consumo de água residencial em São Paulo. Fonte: USP (DECA,
2007).
Ponto de Consumo
Potável (%)
Não-Potável (%)
Vaso Sanitário
-
29
Chuveiro
27
-
Cozinha
16
-
Máquina Lavar Roupa
-
9
Lavatório
5
-
Tanque
-
6
Máquina Lavar Louça
8
-
Total
56
44
Nas indústrias a água da chuva pode ser utilizada para lavanderia industrial,
lavagem
de
maquinários,
resfriamento
evaporativo,
climatização
interna,
abastecimento de caldeiras, lava jatos de veículos e limpeza industrial, entre outros.
Na agricultura, pode ser empregada principalmente na irrigação de plantações
(MAY, 2004).
2.4 Métodos para Dimensionamento de Reservatórios
Para
a
determinação
do
volume
de
um
reservatório
destinado
a
armazenamento das águas pluviais tendo como destino sua utilização residencial,
são disponibilizadas metodologias de cálculo na NBR 15527/2007 (ABNT, 2007).
O objetivo final destas metodologias é semelhante um ao outro, porém as
variáveis e seus critérios de aplicação tornam os resultados apresentados
diferenciados entre sí. Alguns conceitos utilizados proporcionam esta diferença no
volume final, que por consequência impactam diretamente no custo do sistema e
sua viabilidade ou inviabilidade.
Conforme NBR 15527/2007 (ABNT, 2007), foram aplicados os métodos
abaixo para o dimensionamento do volume mais adequado destinado ao
armazenamento de águas pluviais para utilização não potável nas residências
simuladas por este estudo:
24
•
Método da Simulação de Reservatório ou Método do Balanço Hídrico Seriado;
•
Método Azevedo Neto;
•
Método Prático Alemão;
•
Método Prático Inglês;
•
Método Prático Australiano.
•
Método de Rippl.
Além dos métodos dispostos pela NBR 15527/2007 (ABNT, 2007), foi
estudado também o método utilizado por Guzzatti (2007). O mesmo é apresentado
pela seca máxima anual, estimada utilizando a distribuição de probabilidades dos
eventos extremos.
2.4.1 Método da Simulação do Reservatório ou Balanço Hídrico
É realizado um balanço de massa pela contabilização de entradas e saídas
do reservatório. Sem levar a evaporação da água da chuva em conta, aplica-se a
equação da continuidade a um reservatório finito, em um determinado mês. Para a
aplicação deste método, utiliza-se a equação 01, devendo o reservatório ser
considerado cheio no início da contagem do tempo “t”, sendo os dados históricos
representativos para as condições futuras:
S(t) = Q ( t ) + S( t −1) − D( t )
[Eq. 01]
Sendo:
Q(t) = C x precipitação da chuva(t) x área de captação, sendo que 0 ≤ S(t) ≤ V
S(t) = volume de água no reservatório no tempo ‘t’;
S(t –1) = volume de água no reservatório no tempo ‘t - 1’;
Q(t) = volume de chuva no tempo ‘t’;
D(t) = demanda ou consumo no tempo ‘t’;
V = Volume do reservatório fixado;
C = Coeficiente de escoamento superficial.
25
2.4.2 Método Azevedo Neto
O método Azevedo Neto utiliza uma série de precipitação de forma anual
relacionando com a quantidade de meses com pouca chuva ou seca. É definido
como o volume ideal do reservatório, 4,2% do produto entre o volume de chuva
coletada pelo telhado e o número de meses com pouca chuva ou seca. Desta forma,
o método indica o volume de água aproveitável sendo o volume de água do
reservatório, conforme equação 02:
V = 0,042 * P * A * T
[Eq. 02]
Sendo que:
P = Precipitação média anual (mm);
N = Quantidade de meses de pouca chuva ou seca;
A = Area de coleta em projeção (m²)
V = Volume de água aproveitável e o volume de água do reservatório (L).
2.4.3 Método Prático Alemão
O método em questão obtém o volume de armazenamento de água através
de uma forma empírica e também muito simples. O mesmo pode ser aplicado em
séries, porém de forma anualizada. Assim ele toma como volume do reservatório o
menor valor entre 6 % do volume anual de consumo ou 6% do volume anual de
precipitação
aproveitável,
conforme
equação
03.
Dentro
da
precipitação
aproveitável, é considerado apenas a área de coleta do telhado. Este se assemelha
em partes com a forma também empírica inglesa, porém compara o volume de
chuva aproveitável com a demanda anual.
V
adot
= min( V ; D ) * 0,06
[Eq. 03]
Sendo:
V = volume aproveitável de água da chuva anual, expresso em litros (L);
26
D = demanda anual da água não potável, expresso em litros (L);
Vadot = volume de água do reservatório, expresso em litros (L).
2.4.4 Método Prático Inglês
Da mesma forma que o Método de Azevedo Neto e o Método Prático Alemão,
o Método Prático Inglês de dimensionamento de reservatório pode ser empregado
apenas séries anuais, trabalhando apenas com a precipitação média de chuva anual
e com a área de captação da residência. Assim, a mesma despreza as variáveis
como a demanda de água, sendo o volume obtido independente deste. Trata-se de
uma metodologia muito simples que considera o volume ideal de armazenamento
como sendo 5% do volume de água coletado no telhado. Desta forma, a equação do
Método Prático Inglês utiliza a equação 04 para a obtenção do volume do
reservatório.
V = 0,05 * P * A
[Eq. 04]
Sendo:
P = Valor numérico da precipitação média anual, expresso em milímetros
(mm);
A = Valor numérico da área de coleta em projeção, expresso em metros
quadrados (m²)
V = Valor numérico do volume de água aproveitável e o volume de água da
cisterna, expresso em litros (L).
2.4.5 Método Prático Australiano
Neste método é necessário obter uma série histórica mensal de precipitação.
Ao contrário dos métodos Inglês, Alemão e Azevedo Neto, este método se diferencia
por produzir resultados mais criteriosos devido à realização de um pequeno balanço
entre as variáveis utilizadas. Utiliza uma análise entre a chuva total do mês em
conjunto com a demanda também mensal para equacionar o melhor volume do
reservatório. Ocorre a correção do volume de água coletado pela área de captação,
27
e o volume final a obter-se é definido através de tentativas. Para a análise crítica
deste volume, o método recomenda a verificação de valores de confiança para as
quantidades de meses em que houve o atendimento deste volume para a demanda
exigida.
O volume de chuva utilizado na metodologia pode ser definido através da
equação 05.
Q = A * C * ( P − I)
[Eq. 05]
Sendo:
C = Coeficiente de escoamento superficial, geralmente 0,80;
P = Precipitação média mensal;
I = Interceptação de água que molha as superfícies e perdas por evaporação,
geralmente 2 mm;
A = Área de coleta
Q = Volume mensal produzido pela chuva
O cálculo do volume do reservatório é realizado por tentativas pela equação
06, até que sejam utilizados valores otimizados de confiança e volume do
reservatório.
V(t) = V(t -1) + Q (t) − D (t)
[Eq. 06]
Sendo que:
Q(t) = Volume mensal produzido pela chuva no mês ‘t’;
V(t) = Volume de água que está no tanque no fim do mês ‘t’;
V(t-1) = Volume de água que está no tanque no início do mês ‘t’;
D(t) = Demanda mensal
NOTA: Para o primeiro mês, considera-se o reservatório vazio:
Quando (V(t-1) + Q(t) – D) <0, então V(t) = 0
O volume do tanque escolhido será T.
28
C = 1−
N
r
N
ou
C = 1− P
r
Sendo:
Pr = Probabilidade de falha;
Nr = Número de meses em que o reservatório não atendeu à demanda, quando Vt =
0;
N = Número de meses considerado, geralmente 12 meses;
C = Confiança
A Norma NBR 15527/2007 (ABNT, 2007) recomenda que os valores de
confiança estejam entre 90% e 99% (10% a 1% de falhas).
2.4.6 Método de Rippl
Para Garcez (1974, apud PROSAB, 2006), este é um método de cálculo de
volume de armazenamento necessário para garantir uma vazão regularizada
constante durante o período mais crítico de estiagem observado. Baseado no
sistema denominado diagrama de Rippl desenvolvido no final do século XIX,
comumente é utilizado para o cálculo de reservatórios destinados ao abastecimento
público,
aproveitamento
hidroelétrico,
irrigação,
controle
de
enchentes
e
regularização de cursos d’água. Usando-se as séries históricas mensais ou diárias e
a equação 07 a seguir, tem-se o volume do reservatório por este método.
O volume útil do reservatório para uma determinada vazão regularizada é
definida pela utilização do diagrama de massa, correspondendo ao volume de maior
déficit existente na série histórica.
S (t) = D ( t ) − Q ( t )
[Eq. 07]
Sendo:
Q(t) = C x precipitação da chuva (t) x área de captação, sendo o resultado o
volume de chuva aproveitável no tempo ‘t’;
29
Somente para valores S(t) > 0; V = ΣS (t)
S(t) = volume de água no reservatório no tempo ‘t’;
D(t) = demanda ou consumo no tempo ‘t’;
V = Volume do reservatório;
C = Coeficiente de escoamento superficial.
30
3 MATERIAIS E MÉTODOS
As características de precipitação deste estudo tem como base a série de
dados da estação pluviométrica da Agência Nacional de Águas (ANA) localizada no
município de Içara, SC. Esta estação pluviométrica, com código 02849022, está
localizada nas coordenadas 28°43’ S e 49°18’W, com dados diários do período de
1978 até 2009. Esta série apresenta resultados com forte proximidade das demais
cidades da região sul de Santa Catarina.
Para aplicação do estudo, serão consideradas neste trabalho faixas de
demandas de quatro padrões de habitação definidas por residências com áreas de
captação de água da chuva de: 50 m², 100 m², 200 m² e 400 m². A definição destes
valores para os estudos de simulação teve como objetivo abranger um amplo leque
de padrões residenciais para se obter o comportamento do modelo e sua
aplicabilidade.
Para cada situação de área, será gerada uma demanda diferente e será
calculado o tamanho do reservatório pelos diferentes métodos. E pelo método da
Simulação do Reservatório, também denominado Balanço Hídrico Seriado será
avaliado o tamanho do reservatório para atendimento com as probabilidades de
50%, 60%, 70%, 80% e 90% do tempo.
Os diversos métodos existentes a serem usados neste dimensionamento,
apresentam suas variáveis como sendo genericamente comum entre eles, ou seja,
de uma forma geral os métodos levam em consideração as mesmas variáveis,
porém empregadas de formas diferentes em cada um.
3.1 Variáveis
3.1.1 Área de contribuição
Todo sistema de aproveitamento de águas pluviais inicia-se através da coleta
da água para a utilização, e neste estudo aplicado a residências isto é obtido através
da superfície da cobertura. Esta cobertura, ou telhado, funciona então como a área
de captação ou área de coleta da água da chuva nele incidente, porém ao invés de
ser descartada após passagem pelas usuais calhas em um sistema sem
reaproveitamento, são destinadas a uma cisterna de armazenamento.
31
Como este trabalho não tem por objetivo focar um estudo de caso onde a
área de captação deve ser determinada nas suas particularidades, ou seja, levada
em consideração a inclinação de telhado e quantidade de beirais, que acrescentam
algum valor de área no total, foram tomados como padrões de áreas de coleta a
própria metragem quadrada das residências simuladas. Desta forma, sendo a
aplicação conceitual do trabalho julgou-se esta a maneira mais coerente de envolver
esta variável. Assim sendo, a área de coleta foi considerada equivalente às área das
residências (50 m², 100 m², 200 m² e 400 m²), ou seja, não foram consideradas e
analisada formas de projeto arquitetônico bem como projeto de telhado para as
áreas adotadas, devido isto abranger uma gama imensurável de formas e projetos
existentes.
A influência da área de captação é muito significativa em um sistema de
reaproveitamento de águas pluviais, sendo sua responsabilidade a de captar a água
da chuva, o sistema pode se tornar inviável se esta área for pequena. Desta forma,
quanto maior for a área de coleta, maior é a quantidade de água da chuva que se
pode destinar ao armazenamento e aproveitamento.
Porém, devem ser observados alguns pontos específicos neste item, a
exemplo da qualidade da água que seguirá ao reservatório. Esta qualidade está
ligada, além da composição química da água da chuva, também à limpeza da área
de captação que receberá a chuva. Como os telhados precisam ficar expostos 100%
do tempo para desempenhar sua função na edificação, os mesmos retém muita
sujeira proveniente da poluição atmosférica, da poeira, da fumaça, dos
intemperismos, folhas, limos, entre outros. Diante disto, para não ser levada toda
esta sujeira recolhida no telhado para o reservatório e o consumo, é coerente uma
limpeza mínima da superfície.
O melhor método de limpeza é utilizar parte da própria chuva como meio de
limpeza da superfície, resguardando que a água da lavagem seja descartada. Este é
o conceito do primeiro fluxo de escoamento de águas pluviais, durante o qual a
concentração de poluentes é substancialmente mais elevada que em períodos
posteriores. (ALT, 2009)
O descarte deste volume de água é realizado com a implantação de alguns
sistemas simples e automáticos antes do reservatório.
Observa-se então uma perda de volume de água inicial que poderia ser
aproveitada, mas foi utilizada para melhorar a qualidade da água destinada ao
32
reservatório. Para a medida deste volume, diversos autores e bibliografias
recomendam a aplicação de um coeficiente sobre o volume captado, para englobar
esta água perdida. É denominado de coeficiente de escoamento superficial, que
varia conforme o tipo de material que compõe a área de captação ou telhado. A
tabela 05 mostra as faixas de coeficientes que podem ser utilizados confome o
material.
Tabela 05 - Coeficientes de escoamento superficial. Fonte: PROSAB, 2006.
Material
Coeficiente
Fonte
0,80 a 0,90
Holkes e Fraiser apud Tomaz (2003
0,75 a 0,90
Van
0,56
Berlamont
Khan
apud(1999)
May (2005)
0,70 a 0,90
Holkes e Fraiser apud Tomaz (2003
0,85
Khan apud May (2005)
Telha Esmaltada
0,80 a 0,90
Van
Cobertura de PVC
0,94
Berlamont
Khan
apud(1999)
May (2005)
Betume
0,80 a 0,95
Van
Telhados Verdes
0,27
Berlamont
Khan
apud(1999)
May (2005)
Pavimentos
0,40 a 0,90
Wilken apud Tomaz (2003)
Telha Cerâmica
Telha Metálica
den
den
den
Bossche
Bossche
Bossche
apud
Vaes
e
apud
Vaes
e
apud
Vaes
e
A adoção do descarte inicial de um determinado volume de água através do
sistema auxiliar de descarte é representada no cálculo do volume do reservatório
através do coeficiente de escoamento superficial adotado conforme o tipo de
cobertura. Porém, o mesmo passará a influenciar em todo o volume de chuva
precipitado, havendo uma relação direta e proporcional. Quanto maior a altura
pluviométrica, maior a dedução deste volume pelo coeficiente, e o inverso também é
verdadeiro. Com esta metodologia, admite-se estar descartando um alto volume em
chuvas de maior precipitação, sendo maior que o necessário para realizar a lavagem
do telhado, e um volume inferior ao necessário quando em chuvas com menor
precipitação.
Na metodologia empregada neste trabalho, esta água de descarte inicial foi
considerada como sendo um volume fixo, sendo uma parcela inalterada da altura
pluviométrica. Com isto, os coeficientes de escoamentos superficiais foram
substituídos pela altura pluviométrica de 1 mm (1 L/m²), pois julga-se este valor
33
suficiente para lavar toda a área de captação. Este indicador poderá ser alterado,
pois foi previsto sua modificação na planilha de cálculo a critério do usuário.
3.1.2 Demanda
A determinação do consumo de água não potável para uma edificação deve
ser definida já na concepção do projeto. É de suma importância termos este dado
aferido pois tem influência direta no volume a ser definido da cisterna. A área de
contribuição também impacta diretamente, mas é uma informação já prédeterminada (fixa) que não possui variação dentro de cada projeto, ao contrário da
demanda ou consumo.
Os fins não-potáveis indicados para o emprego residencial da água
reaproveitada da chuva concentram-se nos aparelhos de vasos sanitários, na rega
de jardins e lavação de áreas impermeáveis. Importante frizar que nestes pontos a
água não necessita de nenhum tratamento mais específico, podendo ser
aproveitada para outros fins se proporcionar certo grau de tratamento (para uso em
tanques e máquinas de lavar roupa, por exemplo).
Desta forma, foram definidos os destinos acima citados como pontos de
consumo de água não potável sem tratamento, para a aplicação da metodologia.
As quantidades unitárias de água consumida em cada ponto foram listadas na
tabela 06, sendo dados especificados em pesquisas práticas de outros autores bem
como valores referentes em norma vigente.
Tabela 06 - Consumo unitário por ponto. Fonte: PROSAB, 2006.
Utilização
Consumo
Vaso Sanitário
10,0 L/descarga/5 descargas/hab/dia
Rega de Jardim
2,0 L/m²/10 utilizações/mês
Lavagem de área impermeabilizada
4,0 L/m²/8 utilizações/mês
Além dos pontos de consumo de água, a população também age de forma
significativa na demanda, pois é ela quem define a frequência e utilização da água
34
nos pontos de consumo. A população ou ocupação é definida pelo número de
habitantes da residência, sendo quanto maior a população maior o consumo.
A definição da ocupação neste trabalho foi estimada de forma que permitisse
faixas de demanda de água, juntamente com as diversas áreas das residências
simuladas. Assim sendo, o número de habitantes das residências foi seguido
conforme norma vigente, sendo dois habitantes por dormitório. Já a quantidade de
dormitórios foi simulada convencionalmente conforme a variação de área das
residências. A influência da população na demanda de água não potável restringiuse apenas ao ponto de consumo do vaso sanitário, pois a rega de jardins e a
lavagem de áreas impermeabilizadas independem da quantidade de habitantes na
residência.
A ocupação frente a área de cada residência simulada a ser utilizada nesta
metodologia, segue na tabela 07.
Tabela 07 - Ocupação x área da residência. Fonte: Autor.
Área (m²)
50
50
100
100
200
200
400
400
N˚ Dormitórios
1
2
2
3
2
3
3
4
Ocupação (hab)
2
4
4
6
4
6
4
8
Com os dados de consumo unitário, frequência de uso por ponto de consumo
e população das residências, foram calculadas as demandas totais por ponto de
consumo, variando entre as áreas das residências simuladas, conforme tabela 08.
Tabela 08 - Demanda de água não potável por ponto de consumo. Fonte: Autor.
Ponto de Consumo
Área
50 m²
100 m²
200 m²
400 m²
Vaso Sanitário (L)
100 - 200
200 - 300
200 - 300
200 - 400
Rega de Jardim (L)
241
193
469
377
Lavagem Área Imperm. (L)
41
64
103
171
Consumo Total (L)
382 - 482
457 - 557
772 - 872
747 - 947
O consumo total por ponto, expresso na tabela 08, refere-se a faixas de
consumo e não a valores absolutos. Os mesmos são devidos a simulação de duas
35
populações em cada área das residências. Desta forma foram adotados dois valores
para emprego na metodologia, que são: o menor valor obtido no ponto de consumo
vaso sanitário e o maior valor do consumo total. Estas referências foram necessárias
para obter-se uma faixa de consumo final que empregasse como alternativas de
consumo apenas o vaso sanitário e os três pontos englobados. Assim dá-se a opção
ao usuário final de dimensionar o seu reservatório apenas para um ponto ou para
todos. Foi usado o consumo do vaso sanitário porque o mesmo é um item
indispensável em uma residência em comparação aos demais pontos analisados. A
tabela 09 apresenta os menores e os maiores de consumos utilizados nas
simulações (valores arredondados para números usuais).
Tabela 09 - Valores máximos e mínimos de demanda empregada. Fonte: Autor.
Área
50 m²
100 m²
200 m²
400 m²
Menor Consumo (L)
100
200
200
200
Maior Consumo (L)
500
600
900
950
3.1.3 Precipitação
A caracterização da chuva empregada neste estudo foi dada através do
índice de precipitação, que pode ser expressa em altura pluviométrica. Esta medida
é traduzida na espessura média da lâmina de água da chuva
que recobre a
superfície de um metro quadrado de área, sendo expressa na unidade de
milímetros.
As formas do tratamento dos dados de precipitação pluviométrica não são as
mesmas em todos os métodos avaliados de dimensionsamento de reservatório. São
utilizados desde valores diários até médias anuais, sendo que será perceptível a
influência no resultado final levando em consideração a forma do uso da
precipitação.
O método da simulação do reservatório se sobressai perante aos demais pelo
fato de realizar um tratamento minuncioso dos dados pluviométricos, como será visto
ele funciona simulando o volume do reservatório para a precipitação diária de uma
série geralmente extensa.
36
3.1.4 Calhas e coletores pluviais
Fazem parte do sistema de coleta de águas pluviais para os fins
apresentados, os itens relativos às calhas e coletores pluviais. As calhas tem a
função de coletar a água recolhida pelo telhado da edificação e os coletores de
enviar a mesma até o resevatório do sistema para sua armazenagem.
As calhas, por sua vez, podem ser de vários materiais, como alumínio, PVC e
concreto, sendo instaladas nas extremidades das águas dos telhados, que
transmitem aos tubos coletores. Estes, geralmente são produzidos em material de
PVC e enviam as águas até o reservatórios. Quanto ao quesito dimenionsamento,
ambos devem ser avaliados e calculados de acordo com as demais variáveis do
projeto. Isto torna-se fundamental para que não haja ineficiência ao sistema, pois
são elementos que devem se adequar a estas variáveis de acordo com a demanda,
tanto de precipitação, quanto de área de coleta. Dimensões inadequadas interferem
no volume de água despendido ao reservatório, pois caso seja subdimenionado, por
exemplo, ocorre o não aproveitamento de toda a água recebida pela área de
captação.
As calhas e os coletores são elementos que trabalham com o escoamento da
água da chuva. Sendo assim, suas superfícies devem ser regulares mas não são
totalmente isentas do atrito que proporcionam suas faces em contato com a água.
Desta maneira, no quesito de dimensionamento pode ser considerado, assim como
no telhado, um coeficiente de escoamento que varia para cada material componente
das calhas e dos condutores, devido sua rugosidade natural.
Neste trabalho, tanto as calhas como os coletores pluviais não serão objetos
de estudo detalhado nesta metodologia, não fazem parte dos objetivos, pois parte-se
do princípio que para a aplicação em um projeto todos os itens devem ser
dimensionados para cada sistema.
3.1.5 Reservatórios e cisternas
O reservatório, como é comumente chamado, é o elemento que acumula a
água coletada pelo sistema de captação e é o responsável pela distribuição da água
reaproveitada para os pontos de consumo.
37
Para Oliveira (2004), os reservatórios apresentam sua denominação conforme
disposição no terreno. Podem ser dos tipos: Apoiado, quando o fundo permanece
em contato com o solo; Enterrado, quando encontram-se totalmente abaixo no nível
do terreno (também denominado de cisterna); Semi-Enterrado, quando está
parcialmente abaixo do nível do terreno; e os Elevados, quando tem sua posição
elevada do solo de modo que permaneçam com certa altura para que a água
adquira pressão para alimentar o sistema.
Os reservatórios podem ser construídos como parte da edificação, ou
podem ser construídos como uma unidade separada, localizada a uma
distância da mesma. As considerações de design variam de acordo com o
tipo de tanque e outros fatores (RAINWATER HARVESTING AND
UTILISATION, 2002 apud OLIVEIRA, 2004).
Podem ser enumeradas algumas vantagens e desvantagens na utilização dos
reservatórios e cisternas, conforme Alt (2009):
Vantagens de uma Cisterna (enterrada):
•
Não permanecem visíveis na edificação;
•
Ocupam menor área útil no terreno;
•
Garantem bom equilíbrio da temperatura da água;
Desvantagem de uma Cisterna:
•
Necessitam de um conjunto de moto-bomba para o consumo e limpeza.
Vantagem de um Reservatório:
•
A alimentação da água nos pontos de consumo é feita por gravidade.
Desvantagens de um Reservatório:
•
Necessitam de uma estrutura para sustentação;
•
Ficam mais suscetíveis à variação de temperatura;
•
Influenciam na arquitetura da edificação;
•
Requerem maiores cuidados quando moldados “in loco”.
Quanto a sua construção, existem dois tipos de reservatórios ou cisternas: os
pré-fabricados e os moldados “in loco”. Os primeiros apresentam maiores facilidades
38
de instalação, praticidade, limpeza, entre outras, e podem ser construídos de: fibra
de vidro, fibrocimento, lona/vinil/manta de PVC, polipropileno/polietileno, aço inox ou
também de ferro. Os moldados no local de destino limitam-se aos em concreto
armado ou alvenaria.
A melhor forma de armazenamento é a cisterna subterrânea. Sem luz e
calor, retarda-se a ação das bactérias (SILVA et al, 1988). A cisterna deve
ser enterrada e qualquer material impermeável não tóxico pode ser usado:
fibra de vidro, tanques de polietileno ou concreto. Independente do material
utilizado na construção do tanque, os tanques devem ser feitos para serem
enterrados. Cisternas grandes são normalmente feitas de concreto
moldado no local. (OLIVEIRA, 2004)
Geralmente, a capacidade do reservatório para armazenamento da água da
chuva é um dos últimos itens a serem conhecidos em um projeto de
reaproveitamento de água pluvial, pois dependerá da definição de todas as variáveis
já citadas.
Conhecida a necessidade de armazenamento da água, é possível a definição
dos parâmetros, como local da instalação, tipo e material de fabricação e
necessidade ou não de sistemas auxiliares. Geralmente, estes fatores já são préestabelecidos principalmente na fase do projeto arquitetônico e hidráulico da
residência. Porém, um projeto de reaproveitamento tem seu objetivo 100%
alcançado quando se possui a possibilidade de modificação destes parâmetros para
melhor atender a necessidade do consumo, ou seja, adequando ao sistema de
reaproveitamento desenvolvido.
Previamentente à escolha do material adequado deve-se verificar a
finalidade do uso da água. A durabilidade, a segurança e o baixo custo
também são critérios que devem ser analisados para a escolha do tipo de
reservatório a ser implantado no sistema de aproveitamento de água
pluvial. (MARINOSKI, 2007)
O local de instalação de cada tipo também tem sua parcela de influência no
custo, pois os elevados necessitam de uma estrutura de sustentação e podem se
tornar mais caros inicialmente, tomam área de ocupação e há a preocupação com a
estética quando aparentes. As cisternas, subterrâneas, por sua vez, precisam de um
39
sistema para bombear a água até o reservatório superior ou ponto de consumo.
(ALT, 2009).
3.2 Aplicação do Balanço Hídrico Seriado
Para a aplicação do método do Balanço Hídrico na série de precipitação
utilizada neste estudo, foi necessário o desenvolvimento de uma planilha de cálculo
no Microsoft Excel (Figura 03) para possibilitar as simulações conforme os conceitos
do método. Estes são baseados no histórico de chuvas diárias para estimar o
volume mais adequado para o futuro. Assim, o balanço é realizado diariamente, ou
seja, para cada registro de precipitação é realizado a simulação da variação do
volume da cisterna. Desta forma, a metodologia não trabalha com dados isolados
como médias.
A partir destes conceitos, na metodologia é realizado um balanço entre a
precipitação e a demanda, considerando a condição inicial do reservatório, para se
concluir o volume ideal do reservatório que atenda as condições determinadas pelo
usuário.
3.2.1 Sistemática da planilha de cálculo
A lógica de cálculo da planilha possibilita a entrada dos seguintes dados
variáveis definidos pelo usuário:
a) Capacidade do reservatório (L), condição simulada. (Figura 03-Item A);
b) Perda de altura pluviométrica (mm). (Figura 03-Item B);
c) Porcentagem de ocupação inicial do reservatório (%).(Figura 03-Item C);
d) Área de coleta (m²). (Figura 03-Item D);
e) Demanda ou consumo mensal (L). (Figura 03-Item E).
Conforme visto anteriormente, para a lavagem inicial da área de coleta
empregada neste estudo foi utilizado o valor fixo de 1 mm (um milímetro) de altura
pluviométrica a ser descontada da precipitação de chuva de cada dia, conforme
equação 08. Desta forma não empregou-se o coeficiente de escoamento superficial,
pelo motivo especificado. Ao mesmo tempo, foram também desconsideradas as
40
chuvas com altura inferior a 1 mm, sendo que o volume produzido seria o próprio do
descarte através das perdas. Considerou-se então como ‘dia sem chuva’, sendo
este indicador utilizado pelos pesquisadores Oliveira (2004) e Pereira (2003).
Assim, houve a correção incial da precipitação, denominada então de ‘precipitação
efetiva’ (Figura 03-Item F) para cada registro de chuva.
Pef = P − Pperda
Equação 08 - Cálculo da precipitação efetiva. Fonte: Autor
Sendo:
Pef= Precipitação efetiva (mm);
P= Precipitação (mm);
Pperda= Perda de água através da lavagem do telhado (mm).
Em seguida é aplicado também a todos os registros a equação da
continuidade, ou seja, a aplicacão do balanço hídrico seriado (Figura 03-Item G)
através da equação 09. A porcentagem de ocupação incial adotada foi de 100%, ou
seja, considerou-se que a cisterna já estava trabalhando com toda sua capacidade
de armazenamento. Este dado passa a influenciar apenas no início da simulação, ou
seja, nos primeiros dias de consumo, para simular uma continuidade na variação do
volume decorrente da precipitação e consumo.
S (t) = Q (t) + S (t -1) - D (t)
Equação 09 - Cálculo da Balanço Hidrico Seriado. Fonte NBR 15527/2007 (ABNT, 2007).
Sendo:
S(t)= Volume de água no reservatório no tempo ‘t’ (L);
Q(t)= Volume de chuva no tempo ‘t’ (L);
S(t-1)= Volume de água no reservatório no tempo ‘t-1’ (L);
D(t)= Demanda ou consumo de chuva no tempo ‘t’ (L).
O volume de chuva pode ser calculado com base na equação 10.
41
Q (t) = A * Pef (t)
Equação 10 - Volume de chuva. Fonte: Autor.
Q(t)= Volume de chuva no tempo ‘t’ (L);
A= Área de captação (m²);
Pef (t)= Precipitação efetiva de chuva no tempo ‘t’ (mm).
A obtenção do balanço diário do volume do reservatório indica se foi atendida
ou não a demanda (Figura 03-Item H) solicitada pela população da residência. Com
isto é possível aferir o indicador de atendimento desta população (Figura 03-Item I),
expresso em percentual. Este torna-se um referencial que pode se transformar em
uma meta, onde pelo processo inverso é possível determinar o volume. Ou seja, a
partir de uma referência de percentual de atendimento pode-se encontrar o volume
mais adequado da cisterna.
Com esta ferramenta também é possível analisar o período de retorno (Figura
03-Item J) para a condição simulada. Para isto tem-se os dados da quantidade de
anos da série em que não houveram falhas e a quantidade que houveram as falhas.
D
A
B
C
D
I
J
F
G
H
Figura 03 - Planilha de cálculo para dimensionamento do volume do reservatório - Método
do Balanço Hídrico Seriado. Fonte: Autor.
42
4 RESULTADOS OBTIDOS
Com o desenvolvimento da planilha de cálculo foi possível obter as
comparações das capacidades dos reservatórios obtidos para as quatro dimensões
de áreas de captação, frente aos percentuais de atendimentos.
4.1 Método do Balanço Hídrico Seriado
Conforme prescreve o método, através de tentativas foram obtidos os
volumes ideais para o reservatório com a realização do balanço, resultado de cada
combinação entre consumo, área de coleta e percentual de atendimento. Os
resultados foram plotados em gráficos, sendo volume do reservatório (L) vrs
consumo diário (L). Este último foi variado a cada 50 litros, desde o consumo mínimo
até o máximo da faixa adotada para cada área.
Os resultados encontrados estão dispostos por área de coleta, visto que é
necessário dividí-los neste quesito, pois em cada uma há variações entre o consumo
e o percentual de atendimento.
Um ponto em comum encontrado nos gráficos das quatro áreas analisadas é
um crescimento exponencial nas curvas do volume ideal para o reservatório. O fato
se repetiu em cada percentual de atendimento analisado. Porém, uma análise mais
criteriosa mostra que muitas combinações ficam impossibilitadas de serem adotadas
na prática. Isto se deve ao fato de se ter encontrado volumes muito altos para
reservatórios que atendam fins residenciais, e até mesmo comerciais e industriais.
Esta impossibilidade se traduz em se ter disponível uma área muito grande para a
instalação do reservatório e também o seu elevado custo.
Os volumes que podem ser empregados na prática são os que atendem aos
menores consumos nos menores percentuais de atendimentos analisados. Porém,
observa-se que com aumento da área de coleta aumenta juntamente a quantidade
de combinações que podem ser utilizadas. Assim, na área de coleta de 400 m² temse uma menor variação entre os volumes, comparada á área de coleta de 50 m².
43
4.1.1 Área de coleta: 50 m²
Faixa de consumo utilizada: 100 L a 500 L. Os volumes encontrados estão
expressos na tabela 10 e dispostos na figura 04.
Tabela 10 - Resultados obtidos para área de coleta de 50 m². Fonte: Autor
Consumo
Atendimento (%)
(L)
50
60
70
80
90
100
300
405
670
1.010
1.850
150
565
900
1.425
2.468
4.937
200
1.000
1.715
3.125
6.640
20.880
250
1.755
3.600
12.100
229.000
489.000
300
3.550
80.000
393.700
709.000
1.022.350
350
99.000
465.300
830.300
1.193.000
1.551.500
400
437.500
848.500
1.263.200
1.675.000
2.087.500
450
754.400
1.225.000
1.684.500
2.150.500
2.614.400
500
1.083.600
1.603.000
2.111.500
2.628.500
3.146.000
10.000.000
1.000.000
100.000
Volume (L)
10.000
1.000
100
10
1
100
150
200
250
60%
300
50%
70%
350
80%
400
90%
Figura 04 - Resultados obtidos para área de coleta de 50 m². Fonte: Autor
450
500
Consumo (L/dia)
44
4.1.2 Área de coleta: 100 m²
Faixa de consumo utilizada: 200 L a 600 L. Os volumes encontrados estão
expressos na tabela 11 e dispostos na figura 05.
Tabela 11 - Resultados obtidos para área de coleta de 100 m². Fonte: Autor
Consumo
Atendimento (%)
(L)
50
60
70
80
90
200
600
810
1.340
2.020
3.695
250
760
1.260
1.990
3.230
6.150
300
1.120
1.800
2.850
4.935
9.870
350
1.410
2.450
4.210
7.620
17.550
400
2.000
3.450
6.250
13.250
41.750
450
2.695
4.860
10.180
36.700
455.000
500
3.510
7.180
24.200
460.000
978.000
550
4.810
12.610
365.000
935.000
1.510.000
600
7.090
160.000
787.500
1.417.000
2.044.700
10.000.000
1.000.000
100.000
Volume (L)
10.000
1.000
100
10
1
200
250
300
350
60%
50%
400
70%
450
80%
500
90%
Figura 05 - Resultados obtidos para área de coleta de 100 m². Fonte: Autor
550
600
Consumo (L/dia)
45
4.1.3 Área de coleta: 200 m²
Faixa de consumo utilizada: 200 L a 900 L. Os volumes encontrados estão
expressos na tabela 12 e dispostos na figura 06.
Tabela 12 - Resultados obtidos para área de coleta de 200 m². Fonte: Autor
Consumo
Atendimento (%)
(L)
50
60
70
80
90
200
401
660
1.005
1.410
2.325
250
520
1.000
1.255
2.000
3.150
300
850
1.201
1.800
2.550
4.200
350
1.050
1.402
2.110
3.160
5.570
400
1.200
1.601
2.680
4.030
7.400
450
1.350
2.160
3.155
5.140
9.550
500
1.520
2.505
3.980
6.460
12.300
550
1.750
2.870
4.710
7.960
15.580
600
2.240
3.277
5.700
9.870
19.750
650
2.600
4.050
6.960
12.270
25.870
700
2.801
4.905
8.410
15.240
35.100
750
3.301
5.779
10.150
19.650
50.500
800
4.001
6.850
12.500
26.630
83.500
850
4.390
8.050
15.730
38.200
386.000
900
5.390
9.770
20.350
73.500
910.000
46
1.000.000
100.000
Volume (L)
10.000
1.000
100
10
1
200
250
300
350
400
450
60%
500
50%
550
70%
600
80%
650
700
750
90%
800
850
900
Consumo (L/dia)
Figura 06 - Resultados obtidos para área de coleta de 200 m². Fonte: Autor
4.1.4 Área de coleta: 400 m²
Faixa de consumo utilizada: 200 L a 950 L. Os volumes encontrados estão
expressos na tabela 13 e dispostos na figura 07.
47
Tabela 13 - Resultados obtidos para área de coleta de 400 m². Fonte: Autor
Consumo
Atendimento (%)
(L)
50
60
70
80
90
200
410
610
870
1.210
2.000
250
510
755
1.250
1.700
2.510
300
610
910
1.500
2.100
3.250
350
710
1.055
1.750
2.460
3.860
400
810
1.320
2.010
2.810
4.650
450
901
1.680
2.255
3.360
5.400
500
1.045
2.000
2.510
4.000
6.290
550
1.340
2.200
2.970
4.410
7.160
600
1.690
2.400
3.600
5.085
8.400
650
1.950
2.600
3.900
5.850
9.700
700
2.100
2.810
4.210
6.310
11.130
750
2.250
3.010
4.510
7.310
12.780
800
2.400
3.210
5.360
8.050
14.800
850
2.550
3.695
5.950
9.250
16.870
900
2.710
4.350
6.310
10.280
19.100
950
2.860
4.750
7.020
11.410
21.650
48
100.000
10.000
Volume (L)
1.000
100
10
1
200
250
300
350
400
450
60%
500
550
50%
600
70%
650
80%
700
750
800
90%
850
900
950
Consumo (L/dia)
Figura 07 - Resultados obtidos para área de coleta de 400 m². Fonte: Autor
4.2 Método Azevedo Neto
A metodologia aplicada por Azevedo Neto relaciona a capacidade de
armazenamento do reservatório com uma variável não utilizada pelos demais
métodos indicados na NBR 15527/2007 (ABNT, 2007): a quantidade de meses com
seca ou pouca chuva.
A determinação deste parâmetro varia para cada região geográfica, visto que
a distribuição de chuva é bastante irregular. Pelo conceito de período de seca, é de
fácil identificação o quantitativo destes meses que não houveram chuva, mas pelo
conceito de pouca chuva não existem normativas especificando dados sobre isto. Na
região de estudo deste trabalho, se levado em consideração os meses com seca,
não teríamos volume de reservatório, pois não há nenhum registro na série histórica
estudada com precipitação de 0 mm mensais. Assim, para o conceito de pouca
chuva foi adotado a quantidade média anual de meses da série em que a
precipitação foi menor ou igual a 30 mm de chuva. Este indicador foi obtido
considerando que para um mês com 30 dias ocorreram chuvas com precipitação
49
menor ou igual a 1 mm. Desta forma, considera-se que 1 mm é chuva perdida para
lavagem da área de captação, não aproveitada.
O método também utiliza a média da precipitação anual relacionada com a
área de coleta disponível. O volume do reservatório pode ser definido através da
equação 11:
V = 0,042 * P * A * T
[Eq. 11]
O método foi aplicado para as quatro áreas de coletas simuladas, com a
quantidade de meses de seca ou pouca chuva de 1 mês. O valor da precipitação
média foi obtido conforme os valores anuais, tabela 14. Os resultados obtidos estão
dispostos na figura 08, sendo 3.109 L para 50 m², 6.219 L para 100 m², 12.437 L
para 200 m² e 24.875 L para 400 m².
27.000
25.500
24.000
22.500
21.000
19.500
18.000
Volume (L)
16.500
15.000
13.500
12.000
10.500
9.000
7.500
6.000
4.500
3.000
1.500
0
0
100
200
300
50 m²
400
100 m²
500
600
200 m²
700
800
400 m²
Figura 08 - Volume do reservatório, Método Azevedo Neto. Fonte: Autor.
900
950
1000
Demanda Diária (L)
50
O emprego do Método Azevedo Neto traz uma linearidade nas curvas do
volume do reservatório vrs consumo diário. Esta linearidade constante em cada área
de coleta é devida a não utilização da demanda de água não potável neste
dimensionamento, fato este que não proporciona uma análise mais coerente da
variação da capacidade de armazenamento.
Pode-se citar que o método interpreta a quantidade de dias com seca ou
pouca chuva como um período de estiagem, sendo o volume obtido necessário para
suprir a necessidade neste período, porém sem abranger nos seus cálculos esta
necessidade real.
4.3 Método Prático Alemão
Para aplicação desta metodologia foram determinadas as duas únicas
variáveis consideradas, consumo médio anual e precipitação média anual
(considerando 365 dias anuais). Com isto, foi aplicada a metodologia nas quatro
áreas das residências e em cada valor de demanda, inicial e final, das faixas de
consumo estabelecidas para este trabalho.
O consumo médio anual foi obtido conforme a equação 12.
C
anual
= C
diário
* 365
[Eq. 12]
Onde:
Canual= Consumo anual (L);
Cdiário= Consumo diário (L).
A precipitação média anual foi obtida conforme a equação 13:
P
média
Σ(P
=
anual
)
N
[Eq. 13]
Onde:
Pmédia= Precipitação média anual da séria estudada (L);
51
Panual= Precipitação anual aproveitável (L);
N= Número de anos da série estudada.
A tabela 14 expressa os volumes anuais empregados na metodologia.
Tabela 14 - Precipitação anual. Fonte Autor.
Ano
Precipitação
Ano
(mm)
Precipitação
(mm)
Ano
Precipitação
(mm)
1978
1.082,5
1989
1.927,5
2000
1.722,7
1979
1.160,9
1990
1.544,4
2001
1.324,1
1980
1.339.8
1991
1.207,5
2002
1.667,0
1981
1.335,9
1992
1.487,1
2003
1.190,4
1982
1.269,7
1993
1.613,8
2004
1.683,7
1983
2.117,2
1994
1.710,0
2005
1.457,9
1984
1.763,6
1995
1.553,0
2006
1.311,8
1985
1.127,5
1996
1.655,0
2007
1.585,2
1986
1.140,6
1997
1.681,1
2008
1.630,9
1987
1.780,0
1998
1.581,8
2009
1.902,7
1988
816,5
1999
1.004,4
Média: 1.480,6
Para o cálculo do volume do reservatório os dados foram empregados na
equação 14 do método, para cada área de coleta.
V
adot
= min( V ; C ) * 0,06
[Eq. 14]
Os resultados obtidos conforme o Método Prático Alemão estão expressos na
tabela 15.
52
Tabela 15 - Resultados da aplicação do Método Prático Alemão. Fonte: Autor.
Área (m²)
Consumo
Consumo
Precipitação
Volume do
Diário (L)
Anual (L)
Anual (L)
Reservatório (L)
100
36.500
74.032
2.190
500
182.500
74.032
4.442
200
73.000
148.065
4.380
600
219.000
148.065
8.884
200
73.000
296.129
4.360
900
328.500
296.129
17.768
200
73.000
592.259
4.380
950
346.750
592.259
20.805
50
100
200
400
Os resultados estão dispostos na figura 09.
22.000
21.000
20.000
19.000
18.000
17.000
16.000
15.000
14.000
Volume (L)
13.000
12.000
11.000
10.000
9.000
8.000
7.000
6.000
5.000
4.000
3.000
2.000
1.000
0
0
100
200
50 m²
300
400
100 m²
500
200 m²
600
700
800
400 m²
Figura 09 - Volume do reservatório, Método Prático Alemão. Fonte: Autor.
900
950
1000
Demanda Diária (L)
53
O método em questão não possibilita a variação do percentual de
atendimento, visto que o definidor da capacidade de armazenamento do reservatório
é basicamente o menor valor entre a precipitação e o consumo.
Assim, por se tratar de uma metodologia empírica, o mesmo não se preocupa
com a eficiência do sistema, em termos de análise de aproveitamento da chuva e o
consumo, sendo o volume obtido aumentado linearmente conforme a área que se
tem disponível para a coleta da chuva.
Diante das altas dimensões encontradas para os volumes obtidos, tem-se
alguns fatores delimitadores deste método, como o custo do reservatório e a área
disponível para a instalação. Conforme os dados obtidos, chegam-se a valores
bastante elevados do volume de armazenamento, sendo inviabilizados a instalação
de um reservatório com tais volumes nas residências. A exemplo, para o menor
consumo na menor área de coleta, torna-se difícil encontrar residências deste porte
que possuam espaço para a instalação deste reservatório. Já no caso mais extremo,
maior área de coleta e com maior consumo, o volume obtido é tão alto que passa a
ser descartada totalmente a implantação do sistema.
4.4 Método Prático Inglês
O Método Prático Inglês é um dos mais simples de serem aplicados, visto que
envolve apenas a precipitação anual. Seu conceito baseia-se que o volume ideal
para o reservatório seja de 5% da precipitação aproveitada pela área de captação
disponível. Desta forma, neste método haverá variação apenas entre as áreas das
residências, sendo os valores do consumo desprezados por este método.
Mesmo assim, é possível aplicar esta metodologia à série histórica disponível,
onde é extraído o valor da precipitação média anual da mesma. Este dado pode ser
conhecido através da tabela 14.
Para a determinação dos volumes dos reservatórios, foi utilizada a equação
15 proposta pelo método, empregada em cada área simulada.
V = 0,05 * P * A
[Eq. 15]
54
Os resultados obtidos conforme o Método Prático Inglês estão expressos na
tabela 16.
Tabela 16 - Resultados da aplicação do Método Prático Inglês. Fonte: Autor.
Área (m²)
50
100
200
400
Consumo Diário (L)
Volume do Reservatório (L)
100
3.701,62
500
3.701,62
200
7.403,23
600
7.403,23
200
14.806,47
900
14.806,47
200
29.612,94
950
29.612,94
Os volume obtidos podem ser dispostos na figura 10.
Conforme previsão do método, a capacidade do reservatório torna-se
constante frente aos diversos consumos simulados, variando apenas a área de
coleta das residências. Desta forma, visualiza-se que em uma residência pode ter
tanto uma ocupação mínima quanto máxima, que o volume do reservatório para
abastecimento de água será sempre o mesmo. Assim, não há um estudo do
consumo frente a demanda, podendo se tornar economicamente inviável a utilização
do sistema.
55
32.000
30.000
28.000
26.000
24.000
22.000
Volume (L)
20.000
18.000
16.000
14.000
12.000
10.000
8.000
6.000
4.000
2.000
0
0
100
200
300
50 m²
400
100 m²
500
600
200 m²
700
800
400 m²
900
950
1000
Demanda Diária (L)
Figura 10 - Volume do reservatório, Método Prático Inglês. Fonte: Autor
4.5 Método Prático Australiano
Este método pode ser aplicado à série histórica disponível sendo sua
distribuição mensal de chuva, ao invés de diária como o método do Balanço Hídrico
Seriado. Sua forma de cálculo é a mesma, porém o consumo utilizado deve ser
mensal.
Desta forma, realizou-se o balanço para as quatro áreas de coletas
estudadas bem como para as respectivas faixas de consumo, acumulando o
consumo a quantidade de dias dos meses, adotando 1 mm como chuva perdida
para limpeza de telhado. Através de tentativas se obtém o volume ideal para as
situações analisadas, visto que devem atender de 90% a 99% dos meses da série,
conforme NBR 15527/2007 (ABNT, 2007). Assim, para este intervalo de confiança o
volume adotado foi o primeiro maior ou igual a 90% de confiança (que pode ser
56
referenciado ao percentual de atendimento de 90%, utilizado no Balanço Hídrico
Seriado)
Os volumes obtidos estão expressos na tabela 17 e figura 11.
Tabela 17 - Resultados da aplicação do Método Prático Australiano. Fonte: Autor.
Consumo
Área (m²)
Diário (L)
50 m²
100
1.350
150
5.450
200
100 m²
200 m²
400 m²
27.900
2.790
0
0
250
s/r
6.710
0
0
300
s/r
10.900
1.430
0
350
s/r
22.100
3.230
0
400
s/r
55.800
5.570
0
450
s/r
s/r
8.500
0
500
s/r
s/r
13.450
0
550
s/r
17.100
710
600
s/r
21.800
2.845
650
29.490
4.720
700
44.100
6.445
750
69.390
8.280
800
111.500
11.125
850
s/r
14.170
900
s/r
16.990
950
s/r - sem registro
20.280
57
1.000.000
100.000
Volume (L)
10.000
1.000
100
10
1
100
150
200
250
300
350
400
50 m²
450
500
100 m²
550
600
200 m²
650
700
750
400 m²
800
850
900
950
Consumo (L/Dia)
Figura 11 - Resultados da aplicação do Método Prático Australiano. Fonte: Autor.
Nos volumes obtidos conforme a tabela 17, ocorre uma interrupção a partir de
certos valores, expressos por ‘s/r’ - sem registro. Esta descontinuidade deve-se ao
fato de o balanço realizado pelo método não obter registro com o mínimo de 90% de
atendimento, ou seja, quanto maior for o volume do reservatório, a chuva disponível
não é suficiente para proporcionar o mínimo de 90% de utilização para o fim
solicitado.
Outra situação interessante obtida neste balanço, recai sobre os valores
iniciais com volume de 0 litros para o reservatório, conforme tabela 17. Interpreta-se
desta forma que a chuva disponível já seja suficiente para atender o mínimo de 90%
das situações de uso, sem a necessidade de um tanque para armazenamento e
posterior uso. Na prática, isto se torna irreal, pois o método realiza seu balanço com
valores totais de consumo e chuva de cada mês, e não considerando que os
mesmos sejam distribuídos entre os dias do período.
58
4.6 Método de Rippl
Para a aplicação desta metodologia no trabalho em estudo foi utilizado a série
de precipitação de forma diária, considerando que para a chuva aproveitada foi
descontado da precipitação a altura de 1 mm para lavação da área de coleta. Para o
coeficiente de escoamento foi usado o valor numério de 1. Em tese, o método
considera as seguintes variáveis: precipitação, demanda e área de coleta.
Da precipitação, foram obtidos os volumes de chuva calculados para as
quatro áreas de coleta em estudo, obtendo-se um registro diário para cada área.
Porém, conforme o método, estes volumes foram acumulados de um dia para outro.
Com a demanda, ocorreu o mesmo princípio, de acumular o volume de um
dia para outro, para ter-se o mesmo parâmetro de comparação. Assim, o consumo
foi calculado para todos os volumes das faixas de consumo, com intervalo de 100
litros. Desta forma, obteve-se os consumos diários e acumulado desde a menor
demanda (100 l/dia) até a maior demanda (950 l/dia).
Para o cálculo do volume necessário do reservatório, é necessário aplicar a
equação 16 para cada registro diário, cujo resultado é a diferença entre a
precipitação efetiva e a demanda.
S
(t)
=D
(t)
−Q
(t)
[Eq. 16]
Onde:
S(t) = volume de água no reservatório no tempo ‘t’;
D(t) = demanda ou consumo no tempo ‘t’;
Q(t) = volume de chuva aproveitável no tempo ‘t’.
Com os registros das diferenças destes volumes, a capacidade do
reservatório é definida como o valor do maior déficit da série estudada (válido para
para os valores maiores ou iguais a zero).
Desta forma, os resultados do volume do reservatório, com o somatório de
S(t), estão expressos na tabela 18.
59
Tabela 18 - Resultados da aplicação do Método de Rippl. Fonte: Autor.
Consumo
Área de Coleta
Diário (L)
50 m²
100
800
200
100 m²
200 m²
400 m²
179.650
1.600
1.600
1.600
300
1.324.970
29.250
29.250
29.250
400
2.493.670
359.300
359.300
359.300
500
3.662.370
1.484.050
1.484.050
1.484.050
2.649.940
2.649.940
2.649.940
700
3.818.640
3.818.640
800
4.987.340
4.987.340
900
6.156.040
6.156.040
600
950
6.740.390
Através dos resultados obtidos na tabela 18, é visto que o intervalo de valores
dos volumes obtidos para cada área é bastante elevado, sendo que para fins
residenciais apenas o primeiro volume de cada área seria possível de utilização.
Um dos motivos que podem ter levado a valores bastante expressivos de
volume é o destino de aplicação deste método. Conforme NBR 15527/2007 (ABNT,
2007), ele é comumente utilizado para cálculo de reservatórios destinados a
abastecimento
público,
aproveitamento
hidroelétrico,
irrigação,
controle
de
enchentes e regularização de cursos de água.
4.7 Método A - Seca Máxima Anual
Outra forma de obter-se o volume mais adequado para o reservatório é a
metodologia pesquisada por Guzzatti (2007), aplicando o conceito de seca máxima
anual.
O método sugere que se encontre uma quantidade de dias consecutivos sem
chuvas relacionada a um período de retorno a ser definido, podendo calcular o
volume de armazenamento do reservatório para este período sem chuva. Este
procedimento é desenvolvido aplicando uma análise de frequência através de um
método estatístico.
60
A metodologia pode ser aplicada na série histórica de precipitação adotada
neste trabalho. Para início, desve-se apontar a quantidade máxima de dias
consecutivos sem chuva em cada ano da série, conforme tabela 19.
Tabela 19 - Número máximo de dias consecutivos sem chuva no ano, em ordem
decrescente. Fonte: Autor.
Dias
Ano
consecutivos
Dias
Ano
consecutivos
sem chuva
Dias
Ano
sem chuva
consecutivos
sem chuva
1979
36
2001
20
1996
17
1978
33
1999
19
2006
16
1988
33
1982
18
2004
15
1980
31
1989
18
1998
14
1985
31
1990
18
2000
14
1981
28
1992
18
2002
14
2003
28
1984
17
2005
14
2008
23
1986
17
1983
13
1997
21
1991
17
1987
13
2007
21
1993
17
2009
12
1995
20
1994
17
Os dados utilizados neste procedimento estão expressos na tabela 20,
iniciando com a quantidade máxima de dias sem chuva. Deve-se determinar o
número de aparições destas quatidade na série (N) e acumulá-las (N acum.).
Utlizando-se o método Califórnia, é estimado a frequência (F) através da
equação 17 e o período de retorno ou tempo de decorrência (T) através da equação
18.
F =
N
n+1
[Eq. 17]
Onde:
F= frequência;
N= número de aparições da quantidade de dias sem chuva;
n= número de dados .
61
T =
1
F
[Eq. 18]
Onde:
T= período de retorno;
F= frequência.
Para a determinação da quantidade de dias relacionada ao período de retorno
é necessário utilizar uma distribuição probabilística para calcular a probabilidade de
ocorrência desses eventos, podendo ser utilizada a lei de Gumbel. Neste tipo de
análise é necessário transformar esta probabilidade em uma variável reduzida,
denominada de ‘Y’, através da equação 19. Também é necessário encontrar os
parâmetros de média ( x ) e desvio padrão (S) dos dados da amostra da tabela 19.
Devem ser determinados também os parâmetros ‘Yn’ e ‘Sn’ (pré-estabelecidos
conforme tamanho da amostra e sugerida por BACK 2002).
 
Y = − ln − ln 1 −
 
 1 
 
 T 
 
[Eq. 19]
Onde:
Y= variável ‘Y’;
T= período de retorno.
O número de dias utilizado para o dimensionamento do reservatório pode ser
calculado através da equação 20.
X = x + ( Y − Yn ) *
S
Sn
[Eq. 20]
Onde:
Y= variável ‘Y’;
62
x = média;
Y= variável ‘Y’;
Yn= parâmetro ‘Yn’;
S= desvio padrão;
Sn= parâmetro ‘Sn’.
Tabela 20 - Determinação do número de dias e período de retorno. Fonte: Autor.
Dias sem
Chuva
N
N
(acum.)
F
T
Y
Dias
Dias
(arred.)
36
1
1
0,0667
15,00
2,6738
32,9
33
33
2
3
0,2000
5,00
1,4999
25,9
26
31
2
5
0,3333
3,00
0,9027
22,3
22
28
2
7
0,4667
2,14
0,4642
19,7
20
23
1
8
0,5333
1,88
0,2716
18,5
18
21
2
10
0,6667
1,50
-0,0940
16,3
16
20
2
12
0,8000
1,25
-0,4759
14,0
14
19
1
13
0,8667
1,15
-0,7006
12,7
13
18
4
17
1,1333
0,88
-
-
-
17
6
23
1,5333
0,65
-
-
-
15
1
24
1,6000
0,63
-
-
-
14
4
28
1,8667
0,54
-
-
-
13
2
30
2,0000
0,50
-
-
-
12
1
31
2,0667
0,48
-
-
-
Neste método, através dos dias sem chuva é possível conhecer o tempo de
retorno para estes dias. Porém, pelo processo inverso é possível montar uma tabela
(tabela 21) para consulta, arbitrando-se os valores do tempo de retorno (pode haver
casos em que o T desejado não seja encontrado diretamente pelos dias sem chuva
da amostra).
63
Tabela 21 - Determinação do número de dias e período de retorno (tabela consulta). Fonte:
Autor.
T
Y
Dias
Dias (arred.)
2
0,3665
19,1
19
3
0,9027
22,3
22
5
1,4999
25,9
26
10
2,2504
30,3
30
20
2,9702
34,7
35
25
3,1985
36,0
36
50
3,9019
40,2
40
100
4,6001
44,4
44
A partir dos dados obtidos com as análises dos dias sem chuva pode-se
dimensionar o reservatório através de um período de retorno escolhido. Algumas
bibliografias adotam para esta finalidade T= 3 anos, a exemplo de Guzzatti (2007). O
volume de chuva a ser utilizado é o volume médio anual.
Neste estudo será adotado o mesmo período de retorno, admitindo conforme
a tabela 21, 22 dias consecutivos sem chuva. No dimensionamento por este método
o volume do reservatório é o próprio consumo de água neste período de dias de
seca, devendo verificar se a área de coleta disponível atende a esta demanda.
O método foi aplicado nas quatro áreas das residências em estudo para as
faixas de consumo estabelecidas, ajustando-o para os 22 dias de seca. O volume de
chuva captado por cada área de coleta está expresso na tabela 22, obtido através
da precipitação média anual e a seguir regredida para 22 dias, foi utilizado
coeficiente de escoamento de 1.
64
Tabela 22 - Volume de chuva captável em 22 dias. Fonte: Autor.
Volume (L)
50 m²
100 m²
200 m²
400 m²
4.462
8.924
17.849
35.698
O volume do reservatório passa a ser então o próprio consumo de água em
22 dias de seca, sendo que para cada consumo da faixa a área de coleta deveria ser
suficiente para atender aos consumos, tendo um aproveitamento de 100%. Mas nem
todas as situações a área de coleta foi suficiente, onde conforme a tabela 23 tem-se
o percentual de atendimento do volume do reservatório de cada consumo em cada
área simulada.
Tabela 23 - Percentual de atendimento do reservatório. Fonte: Autor.
Consumo
Consumo
(L/dia)
(L/22 dias)
100
50 m²
100 m²
200 m²
400 m²
2.200
203%
-
-
-
200
4.400
101%
203%
406%
811%
300
6.600
68%
135%
270%
541%
400
8.800
51%
101%
203%
406%
500
11.000
41%
81%
162%
325%
600
13.200
-
68%
135%
270%
700
15.400
-
-
116%
232%
800
17.600
-
-
101%
203%
900
19.800
-
-
90%
180%
950
20.900
-
-
-
171%
Diante dos resultados obtidos, encontraram-se inúmeros volumes mais adequados
para cada situação conforme os métodos pesquisados. Desta forma, a tabela 24 reúne
resultados para situações mais relevantes como forma comparativa entre as metodologias.
65
Tabela 24 - Comparativo de volumes do reservatório entre os métodos. Fonte: Autor.
Parâmetros
Área (m²)
100
100
200
200
400
Consumo (L/dia)
200
200
500
500
700
Atendimento (%)
50
90
50
90
60
Método
Volume (L)
Balanço Hídrico
600
3.695
1.520
12.300
2.810
Azevedo Neto
6.219
6.219
12.437
12.437
24.875
Prático Alemão
4.380
4.380
10.950
10.950
15.330
Prático Inglês
7.403
7.403
14.806
14.806
29.613
Prático Australiano
-
2.790
-
13.450
-
Rippl
1.600
1.600
1.484.050
1.484.050
3.818.640
Seca Máxima Anual
4.400
4.400
11.000
11.000
15.400
66
5. CONCLUSÃO
Com a finalização do estudo realizado é possível enumerar as conclusões
abaixo.
Para o dimensionamento de um reservatório para armazenamento de águas
pluviais em residências, a NBR 15527/2007 (ABNT, 2007) disponibiliza os seguintes
métodos: Método da Simulação do Reservatório ou Balanço Hídrico Seriado, Método
Azevedo Neto, Método Prático Alemão, Método Prático Inglês, Método Prático
Australiano e Método de Rippl. Existem outras formas de dimensionamento oriundas
de pesquisas, porém não regulamentadas em norma, a exemplo do método
apresentado pela Seca Máxima Anual (Guzzatti, 2007) abordada neste trabalho.
O dimensionamento deve englobar três variáveis determinantes que
interferem diretamente no volume do reservatório: área de contribuição, consumo e
precipitação pluviométrica.
Não são todas as metodologias que utilizam as três variáveis. Cada método
tem sua linha de raciocínio, porém para um resultado mais eficaz é importante que
sejam considerados estes itens no dimensionamento.
É importante que se conheça o percentual de atendimento daquele volume
obtido para saber a eficiência do sistema, porém não são todos os métodos que
disponibilizam isto.
Constatou-se que a utilização do Método do Balanço Hídrico Seriado traz
resultados mais ponderados à realidade, pois o mesmo realiza uma simulação do
volume do reservatório dia a dia da série. As variáveis citadas são a base desta
metodologia, permitindo ainda a introdução do percentual de atendimento desejado
para o reservatório.
O Método do Balanço Hídrico também evidenciou que para atendimentos
mais elevados deve-se ter volumes muito altos, impossibilitando de serem aplicados
devido ao superdimensionamento do sistema, e com uma relação custo/benefício
muito desfavorável. Desta forma, recomenda-se utilizar geralmente a faixa de 50%
de atendimento.
67
REFERÊNCIAS
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não potáveis – estudo baseado no curso ABNT de 11/02/2009 SP do eng. Plínio
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São Paulo/SP, Prol Editora Gráfica, 2005. 151 p.: il
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Acessado em março de 2010.
em:
http://www.oaquiferoguarani.com.br.
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- aproveitamento de coberturas em áreas urbanas para fins não potáveis - requisitos.
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superficial no Estado de Santa Catarina. Florianópolis: Epagri, 2002. 65 p.
(Epagri. Boletim Técnico 123)
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(Graduação em Engenharia Ambiental) - Universidade do Extremo Sul Catarinense,
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Anais Rebouças, Aldo da Cunha - Gestão sustentável dos grandes aquíferos.
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Campo Grande, MS. 2005. Anais Group Raindrops - Aproveitamento de Água da
Chuva nas Edificações.
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68
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