A urbanização acelerada das últimas décadas aliada à ocupação desordenada e intensa impermeabilização do solo, têm agravado as cheias nas cidades brasileiras. Na cidade de São Paulo, recentemente, os períodos chuvosos, entre os meses de outubro e março, de 2009-2010 e 2010-2011 foram especialmente relevantes, quando ocorreram precipitações intensas e de longa duração que causaram grandes inundações e alagamentos por toda a cidade. Outro agravante é a continuidade da utilização única e exclusivamente de técnicas clássicas com enfoque higienista para a solução dos problemas de drenagem urbana, como é o caso das canalizações dos córregos e rios. Diante dessa problemática surge uma nova abordagem do tema que envolve o manejo sustentável das águas pluviais por meio da utilização de um conjunto de medidas de controle da fonte, que podem ser integradas aos sistemas de drenagem existentes. Essas medidas se baseiam na retenção e infiltração das águas pluviais e na retenção de poluentes, reduzindo a probabilidade de inundações e contribuindo para a melhoria da qualidade da água dos sistemas hídricos urbanos. O objetivo deste estudo foi avaliar, por meio da modelagem matemática, o efeito que a implantação de medidas controle na fonte pode proporcionar no abatimento dos picos de cheia em áreas urbanas densamente ocupadas. Para tanto foi selecionada a bacia do córrego da Luz localizada no centro da cidade de São Paulo que apresenta altas taxas de impermeabilização do solo. As análises foram feitas com o PCSWMM, que é um sistema de suporte a decisão espacial desenvolvido pela CHI para o SWMM5 da EPA. Foram selecionadas medidas de controle na fonte que possam se adequar em locais onde a disponibilidade de espaço é pequena, como é o caso dos pavimentos permeáveis, telhados verdes e jardins de chuva. Os cenários analisados consideraram a situação atual sem implantação de medidas de controle e a implantação individual e combinada das medidas de controle na fonte. São avaliados eventos de precipitações, considerando diferentes períodos de retorno e durações de chuva e a porcentagem de área impermeável contribuinte para as medidas de controle. Uma análise geral dos resultados da modelagem permite apontar que o amortecimento dos picos de cheia foi verificado em todos os cenários, em maior ou menor intensidade, e o melhor desempenho no abatimento do pico de cheia foi verificado nos cenários que consideraram a implantação de pavimentos permeáveis. Os resultados da modelagem e os baixos custos de implantação dos pavimentos permeáveis sugerem que esta medida, dentre as três analisadas, é a que apresenta melhor custo-benefício. Contudo sabe-se que a implantação de pavimento asfáltico permeável em 100% da área disponível pode não ser viável. Logo a implantação conjunta com outras medidas de controle pode melhorar o desempenho de um sistema de controle de cheias. / The accelerated urban growth in the last decades associated with a disordered occupation and excessive impervious surfaces has worsened the floods in Brazilian cities. In the City of São Paulo, lately, the rainy season between October and March, in 2009-2010 and in 2010-2011, were especially relevant. There were intense and long-lasting rainfalls that caused flooding all over the city. Another aggravating factor is the single and exclusive use of traditional stormwater management methods for solving urban drainage problems, which is the case of stream and river canalizations. When faced with these problems, a new approach that involves the sustainable management of rainwater starts growing. These techniques include a set of low impact development practices that should be incorporated to the existing drainage systems. They are based on the detention and infiltration of stormwater, also the retention of pollutants. They also contribute to decreasing flood probability and to improving water quality of urban water systems. The goal is to evaluate, through a mathematical modeling, the low-impact development practices effect on reducing the peak runoff rates in highly urbanized areas. To this end, a subcatchment located in the center of São Paulo city, called Córrego da Luz, was chosen. This subcatchment has high rates of soil imperviousness. The analysis will be made with the PCSWMM, which is a spatial decision support system for the SWMM5 from EPA. The PCSWMM was developed by CHI. The low-impact development techniques selected for this study are permeable pavements, green roofs and rain gardens. These techniques can be implemented in places where space is no longer available. The scenarios must consider the current situation without the implementation of control measures, the individual and combined implementation of these practices. Various rainfall events were evaluated considering different durations. Also evaluated were the different percentages of impervious areas treated by low-impact development techniques. An overview of modeling results allows stating that the reduction of peak runoff was observed in all the scenarios, at greater or lower intensity. But the best performance was observed in scenarios that considered the implementation of permeable pavements. Modeling results and low-cost implementation of permeable pavements suggest that it is the most cost-effective measure, among the three analyzed. However, it is known that the implementation of permeable pavement in 100% of the available area may not be feasible. Hence, the combined implementation with other low-impact developments might improve the performance of a flood control system.

A urbanização acelerada das últimas décadas aliada à ocupação desordenada e intensa impermeabilização do solo, têm agravado as cheias nas cidades brasileiras. Na cidade de São Paulo, recentemente, os períodos chuvosos, entre os meses de outubro e março, de 2009-2010 e 2010-2011 foram especialmente relevantes, quando ocorreram precipitações intensas e de longa duração que causaram grandes inundações e alagamentos por toda a cidade. Outro agravante é a continuidade da utilização única e exclusivamente de técnicas clássicas com enfoque higienista para a solução dos problemas de drenagem urbana, como é o caso das canalizações dos córregos e rios. Diante dessa problemática surge uma nova abordagem do tema que envolve o manejo sustentável das águas pluviais por meio da utilização de um conjunto de medidas de controle da fonte, que podem ser integradas aos sistemas de drenagem existentes. Essas medidas se baseiam na retenção e infiltração das águas pluviais e na retenção de poluentes, reduzindo a probabilidade de inundações e contribuindo para a melhoria da qualidade da água dos sistemas hídricos urbanos. O objetivo deste estudo foi avaliar, por meio da modelagem matemática, o efeito que a implantação de medidas controle na fonte pode proporcionar no abatimento dos picos de cheia em áreas urbanas densamente ocupadas. Para tanto foi selecionada a bacia do córrego da Luz localizada no centro da cidade de São Paulo que apresenta altas taxas de impermeabilização do solo. As análises foram feitas com o PCSWMM, que é um sistema de suporte a decisão espacial desenvolvido pela CHI para o SWMM5 da EPA. Foram selecionadas medidas de controle na fonte que possam se adequar em locais onde a disponibilidade de espaço é pequena, como é o caso dos pavimentos permeáveis, telhados verdes e jardins de chuva. Os cenários analisados consideraram a situação atual sem implantação de medidas de controle e a implantação individual e combinada das medidas de controle na fonte. São avaliados eventos de precipitações, considerando diferentes períodos de retorno e durações de chuva e a porcentagem de área impermeável contribuinte para as medidas de controle. Uma análise geral dos resultados da modelagem permite apontar que o amortecimento dos picos de cheia foi verificado em todos os cenários, em maior ou menor intensidade, e o melhor desempenho no abatimento do pico de cheia foi verificado nos cenários que consideraram a implantação de pavimentos permeáveis. Os resultados da modelagem e os baixos custos de implantação dos pavimentos permeáveis sugerem que esta medida, dentre as três analisadas, é a que apresenta melhor custo-benefício. Contudo sabe-se que a implantação de pavimento asfáltico permeável em 100% da área disponível pode não ser viável. Logo a implantação conjunta com outras medidas de controle pode melhorar o desempenho de um sistema de controle de cheias. / The accelerated urban growth in the last decades associated with a disordered occupation and excessive impervious surfaces has worsened the floods in Brazilian cities. In the City of São Paulo, lately, the rainy season between October and March, in 2009-2010 and in 2010-2011, were especially relevant. There were intense and long-lasting rainfalls that caused flooding all over the city. Another aggravating factor is the single and exclusive use of traditional stormwater management methods for solving urban drainage problems, which is the case of stream and river canalizations. When faced with these problems, a new approach that involves the sustainable management of rainwater starts growing. These techniques include a set of low impact development practices that should be incorporated to the existing drainage systems. They are based on the detention and infiltration of stormwater, also the retention of pollutants. They also contribute to decreasing flood probability and to improving water quality of urban water systems. The goal is to evaluate, through a mathematical modeling, the low-impact development practices effect on reducing the peak runoff rates in highly urbanized areas. To this end, a subcatchment located in the center of São Paulo city, called Córrego da Luz, was chosen. This subcatchment has high rates of soil imperviousness. The analysis will be made with the PCSWMM, which is a spatial decision support system for the SWMM5 from EPA. The PCSWMM was developed by CHI. The low-impact development techniques selected for this study are permeable pavements, green roofs and rain gardens. These techniques can be implemented in places where space is no longer available. The scenarios must consider the current situation without the implementation of control measures, the individual and combined implementation of these practices. Various rainfall events were evaluated considering different durations. Also evaluated were the different percentages of impervious areas treated by low-impact development techniques. An overview of modeling results allows stating that the reduction of peak runoff was observed in all the scenarios, at greater or lower intensity. But the best performance was observed in scenarios that considered the implementation of permeable pavements. Modeling results and low-cost implementation of permeable pavements suggest that it is the most cost-effective measure, among the three analyzed. However, it is known that the implementation of permeable pavement in 100% of the available area may not be feasible. Hence, the combined implementation with other low-impact developments might improve the performance of a flood control system.

<p>Low Impact Development (LID) practices have been increasingly used to mitigate the adverse impacts of urbanization. Reliable methods are in need to provide hydrologic performance assessment of different types of LID practices. The purpose of this thesis is to develop a set of analytical models which can be used to assist the planning and design of commonly used structural LID practices such as green roofs, rain gardens, bioretention and permeable pavement systems.</p> <p>The analytical LID models are derived on the basis of exponential probability density functions (PDF) of local rainfall characteristics and mathematical representations of the hydraulic and hydrologic processes occurring in association with the operation of LID practices. Exponential PDFs are found to provide good fits to the histograms of rainfall characteristics of five cities located in different climatic zones. The mathematical representations are all physically based and most of the input parameters used in these representations are the same as those required in commonly used numerical models.</p> <p>The overall reliability of the analytical LID models are tested by comparing the results from these analytical models with results determined from long-term continuous simulations, in addition to that the accuracy of the analytical model for green roofs is also verified against observations from a real case study. The long-term rainfall data from the five cities and a variety of LID practice design configurations are used in the comparisons. The relative differences between the results calculated using the analytical LID models and the results determined from corresponding SWMM simulations are all less than 10%.</p> <p>The Howard’s conservative assumption is adopted in the development of the analytical models for rain gardens and permeable pavement systems. This assumption results in conservative estimations of the stormwater management performances of these LID practices. Instead of adopting the Howard’s conservative assumption, an approximate expected value of the surface depression water content of a bioretention system at the end of a random rainfall event [denoted as ] is derived and used in the development of the analytical model for bioretention systems. The use of is proven to be advantageous over the use of the Howard’s conservative assumption.</p> <p>The analytical LID models are comprised of closed-form mathematical expressions. The application of them can be easy and efficient as illustrated in the application examples. For a specific location of interest, with a goodness-of-fit examination of the exponential PDFs to local rainfall data and verification of the accuracy of the analytical LID models, these models can be used as a convenient planning, design, and management tool for LID practices.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)