Controle qualitativo e quantitativo do escoamento pluvial em diferentes tipos de coberturas

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Florianópolis, 2017.O objetivo principal desta pesquisa foi analisar o comportamento de diferentes coberturas verdes e de uma cobertura convencional quanto ao controle quantitativo e qualitativo do escoamento pluvial em Florianópolis-SC. Foram construídos quatro protótipos em micro-escala, que simularam uma cobertura convencional com telhas de fibrocimento e três tipos de coberturas verdes, sendo duas modulares (modular alta e modular baixa) e uma contínua. Foram monitorados 35 eventos de precipitação entre junho de 2016 e janeiro de 2017. A análise do controle quantitativo foi realizada por meio da determinação do coeficiente de escoamento superficial e do potencial de retenção por unidade de área de cada cobertura. Para análise do controle qualitativo foram coletadas amostras do escoamento de cada cobertura e também da água da chuva coletada diretamente da atmosfera. Os parâmetros avaliados foram: pH, turbidez, cor aparente, oxigênio dissolvido, ferro, nitrito, nitrato, amônia, fósforo, fosfato, coliformes totais e coliformes termotolerantes. A comparação dos resultados foi realizada utilizando-se os métodos estatísticos t-test, Mann-Whitney e Kruskal-Wallis. Complementarmente, por meio de simulação computacional utilizando o programa Netuno, verificou-se o potencial de economia de água potável que pode ser alcançado com um sistema de aproveitamento de água da chuva instalado em edificações residenciais unifamiliares que possuam cobertura verde ou cobertura de fibrocimento. Os resultados obtidos com a pesquisa demonstraram o elevado potencial de retenção do escoamento pluvial das coberturas verdes. Os valores de coeficiente de escoamento superficial médio foram iguais a 0,16 para cobertura verde modular alta, 0,24 para cobertura verde modular baixa e 0,35 para cobertura verde contínua. Em contraste, o valor observado para cobertura convencional foi igual a 0,92. Verificou-se que o potencial de retenção do escoamento pluvial das coberturas verdes é influenciado pelo tipo de sistema utilizado, pela condição de umidade antecedente e pela altura pluviométrica da precipitação. Quanto à qualidade do escoamento, verificou-se que dentre os parâmetros indicados na NBR 15.527, que define padrões de qualidade para usos restritivos não potáveis, apenas o valor de pH obtido para a cobertura verde modular alta atendeu ao especificado pela norma. Além disso, as coberturas verdes se comportaram como fonte de ferro, nitrato, fósforo e fosfato, principalmente a contínua, que utilizou maior quantidade de substrato. Durante o monitoramento, percebeu-se que a dinâmica de alguns parâmetros na água escoada foi influenciada pela sazonalidade, idade e tipo da cobertura, realização de manutenção e volume da precipitação. Por fim, considerando-se um sistema de aproveitamento de água da chuva, as simulações indicaram que o potencial de economia que pode ser alcançado em edificações residenciais unifamiliares que possuam coberturas verdes é fortemente dependente da área de captação e da demanda de água. Os potenciais de economia obtidos para as coberturas verdes variaram de 8,66 a 44,99%. Para a cobertura convencional, a faixa de valores ficou entre 25,72 e 46,21%. Deste modo, a presente pesquisa mostra a importância de se analisar as coberturas verdes em diferentes locais e com distintas configurações, visto que o comportamento no controle quali-quantitativo do escoamento pluvial deste tipo de cobertura é influenciado tanto por suas características intrínsecas quanto extrínsecas.Abstract : The main objective of this study was to analyze the performance of three types of green roofs and one conventional roof based on the control of quality and quantity of the stormwater runoff in Florianópolis, southern Brazil. Four micro-scale prototypes were constructed, which simulated a conventional roof with corrugated fiber cement tiles and three types of green roofs, i.e., two modular (high modular and low modular) and one continuous. Data were obtained from 35 rainfall events from June 2016 through January 2017. The control of stormwater runoff was analyzed based on the runoff coefficient and the potential of retention per unit area in the four prototypes. For the qualitative analysis samples were collected from the flow of each prototype and also from rainwater collected directly from the atmosphere. The parameters evaluated were: pH, turbidity, apparent color, dissolved oxygen, iron, nitrite, nitrate, ammonia, phosphorus, phosphate, total coliforms and thermotolerant coliforms. Results were assessed using the statistical methods t-test, Mann-Whitney and Kruskal-Wallis. In order to quantify the potential for potable water savings that can be achieved with a rainwater harvesting system installed in houses with green roof or conventional roofs, computer simulations were performed using the Netuno computer program. The results showed the high potential of rainwater retention of the green roofs. The average runoff coefficient for green roofs was 0.16 for high modular, 0.24 for low modular and 0.35 for continuous. On the other hand, the average runoff coefficient observed for conventional roof was 0.92. It was verified that the rainwater control of green roofs proved to be very sensitive to type of system used, antecedent humidity condition and amount of rainfall. As for the qualitative analysis of water, by comparing the results with the Brazilian regulation NBR 15.527, which defines quality standards for non-potable restrictive uses, it was noted that only the pH value obtained for high modular green roof has achieved the restriction specified by the regulation. In addition, results demonstrate that green roofs behave as a source of iron, nitrate, phosphorus and phosphate. The highest release of pollutants was noted in the continuous green roof, which used a thick substrate layer. During the monitoring, it was observed that the variation of some parameters in the runoff was influenced by some factors such as seasonality, age and type of green roof, maintenance and amount of rainfall. Finally, considering that runoff from such roofs could be used for non-potable uses, the simulations indicated that the potential for potable water savings is strongly dependent on the catchment area and the water demand, especially in green roofs. The potential for potable water savings obtained ranged from 8.66 to 44.99%. For the conventional roof it ranged from 25.72 to 46.21%. Thus, this study showed the importance of analyzing different configurations of green roofs in different locations, since their behavior in the quality and quantity control of stormwater runoff is influenced by its intrinsic and extrinsic characteristics