Performance evaluation and numerical modeling of stormwater infiltration systems integrated to buildings systems

Orientador: Marina Sangoi de Oliveira Ilha Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo Resumo: O dimensionamento integrado aos sistemas prediais de águas pluviais e a avaliação de desempenho de sistemas de infiltração de água de chuva nem sempre são de fácil compreensão, devido às inúmeras variáveis envolvidas quanto aos fatores climáticos e características do solo. O presente trabalho avalia o desempenho de sistemas de infiltração de água de chuva considerando a sua integração com os sistemas prediais e propõe dois modelos matemáticos para a predição do comportamento hidrológico e da frente de percolação ocasionada por sistemas de infiltração de água de chuva, um deles desenvolvido por meio da metodologia de Redes Neurais Artificiais e outro empregando o software FlexPDE® e equações físicas de percolação de água em solos não saturados. Os modelos foram construídos com base no monitoramento de parâmetros hidrológicos, geotécnicos e meteorológicos e, também, na observação do funcionamento de quatro sistemas de infiltração construídos para avaliação experimental e submetidos a ensaios de chuvas artificiais com vazão controlada. Os sistemas estudados foram: (1) poço de infiltração; (2) jardim de chuva, (3) trincheira de infiltração e (4) pavimento permeável. A avaliação do desempenho dos sistemas experimentais foi realizada ao longo de um ciclo sazonal completo. Durantes os ensaios foram monitoradas variáveis climáticas, nível de água no interior dos sistemas e propriedades de umidade e poropressão dos solos, além de vazões de entrada e saída de água. Considerando a integração dos sistemas de infiltração com o sistema predial de drenagem de águas pluviais, os estudos realizados demostraram a influência de diferentes configurações de tubos e conexões no volume direcionado para os sistemas de infiltração, a ocorrência de refluxo de água em caixas de drenagem posicionadas a montante dos sistemas e a possibilidade de redução do diâmetro dos condutores horizontais posicionados a jusante dos sistemas de infiltração. As avaliações de desempenho de todos os sistemas estudados propiciaram reduções do volume de escoamento superficial superiores as previstas em projeto. O modelo de Redes Neurais Artificiais apresentou bom desempenho na representação dos hidrogramas e nos perfis hidrológicos dos sistemas estudados, com bom ajuste das curvas com relação aos dados observados. Por sua vez, o modelo desenvolvido utilizando o software FlexPDE® apontou perfis de propagação da frente de percolação em relação a lateral dos sistemas de infiltração, similar aos dados obtidos por meio de tensiômetros posicionados na região de contorno dos sistemas estudados Abstract: The performance evaluation and integrated design of stormwater infiltration systems are not always easy to understand due to the numerous variables involved in climatic factors and soil characteristics. This research evaluates the performance of stormwater infiltration systems considering the integration with the stormwater buildings systems, and also, proposes two mathematical models for the prediction of the hydrological behavior and the percolation front caused by stormwater infiltration systems. One of them was developed through the methodology of Artificial Neural Networks and, the other one, using FlexPDE® software and physical equations of water percolation in unsaturated soils. The models were developed based on the monitoring of hydrological, geotechnical and meteorological parameters, and also, on the observation of the operation of four experimental stormwater infiltration systems submitted to artificial rainfall trials with controlled flow. The systems evaluated in this research were: (1) dry-wells; (2) rain garden; (3) infiltration trench and (4) pervious pavement. The investigation of the performance of infiltration systems was carried out during a seasonal cycle. During the tests, the following variables were monitored: climatic, water level inside the systems and soil moisture and tension properties, as well as inlet and outlet flows. Considering the infiltration systems integrated with the stormwater drainage building system, the studies carried out showed the influence of different assemblies of pipes and fittings in the direction of the stormwater flow to the infiltration systems, the occurrence of water reflux in drainage boxes positioned upstream of the experimental systems and the possibility of size reducing of the horizontal conductors positioned downstream of the infiltration systems. Among the performance results, all the studied systems provide reductions in the volume of surface runoff higher than those design predicted. The Artificial Neural Networks model presented good performance in the representation of the runoff hydrograms and in the hydrological profiles of the operation of the stormwater infiltration systems, presenting a good adjustment of the curves in relation to the field data. On the other hand, the FlexPDE® model pointed a propagation of the percolation front in relation to the side of the infiltration systems similar to recorded data obtained through tensiometers positioned in the boundary region of the studied systems Doutorado Arquitetura e Construção Doutor em Engenharia Civil FAPESP 2012/04807-3 CNPQ 473460/2010-6 CAPES