Check dams/barragens de retenção

Regiões áridas e semiáridas são frequentemente caracterizadas por eventos de chuva intensos e de curta duração, que contribuem para inundações e erosão de curto prazo. Quando o escoamento superficial é elevado, a contribuição da chuva para o aquífero da bacia é mínima, e os fluxos de alta intensidade transportam sedimentos em canais e leitos de escoamento para corpos d'água superficiais. Nesses casos, uma barragem de retenção pode ser utilizada como técnica de captação de água da chuva para recarga do aquífero.

Uma barragem de retenção é uma barreira permeável colocada no curso de um curso de água efêmero, como um canal, riacho, vala ou vertedouro (estes termos são usados ​​indistintamente ao longo desta página), para dificultar o fluxo e causar o represamento a montante. Esse represamento de água aumenta a infiltração da água da chuva no lençol freático e reduz os efeitos da erosão, ao mesmo tempo que retém os sedimentos transportados e impede o transporte a jusante. As barragens de retenção demonstraram ser particularmente eficazes na retenção de sedimentos quando colocadas em ravinas em áreas com relevo acentuado. ^{[ 1 ]}

Pequenas barragens de retenção tradicionais são geralmente feitas de rocha natural, madeira ou concreto reciclado, com diâmetro entre 25 e 60 centímetros. Barragens de retenção temporárias também podem ser construídas com tecido, fardos de palha e galhos. Outros tipos específicos de barragens de retenção incluem gabiões (barragens de retenção tradicionais com reforço adicional de arame para maior estabilidade e cercas de contenção de sedimentos, comumente encontradas em valas à beira de estradas e perto de canteiros de obras). Embora sejam ideais para aplicações efêmeras suscetíveis a fluxos repentinos em resposta a eventos de chuva, as barragens de retenção também têm sido implementadas com sucesso em sistemas de drenagem urbana, regiões com relevo acentuado e em terrenos planos como forma de desviar o escoamento superficial para outros usos.

Algumas das barragens de retenção mais antigas conhecidas estão localizadas no Norte da África e acredita-se que os arqueólogos datem da época romana ou pré-romana ^{[ 2 ]} . Essas barragens de retenção eram tipicamente usadas para diminuir a velocidade e desviar a água para irrigação local. Historicamente, as barragens de retenção têm sido usadas e continuam sendo usadas em aplicações que respondem a eventos de chuva, em vez de rios e córregos perenes. Elas foram implementadas com sucesso em regiões áridas e semiáridas, como o sudoeste dos Estados Unidos, a região de Gujarat, na Índia, e terras secas no norte da África, bem como em outras regiões. A implementação de barragens de retenção está aumentando em ambientes urbanizados para fornecer regulação de fluxo em lagoas de coleta de águas pluviais devido ao custo, facilidade de construção e mínima manutenção necessária ^{[ 3 ].}

As barragens de retenção funcionam reduzindo a vazão da água em um canal, causando o acúmulo de água imediatamente a montante. A vazão em um curso d'água é uma função da velocidade e da área da seção transversal da água no curso d'água e pode ser estimada como mostrado: ^{[ 4 ]}

Equação 1:Q=v*UM

onde

• Q = Vazão (m³ ^/ s)
  
• v = Velocidade média da água no canal (m/s)
  
• A = Área da seção transversal da água no canal ( ^m² )

A partir da Equação 1, observa-se que, mantendo-se v constante, Q diminui à medida que A diminui. A taxa de acumulação de água imediatamente a montante pode ser determinada por um simples balanço de massa:

Equação 2:UMccumulumteuon=Qeun−Qout

onde

• Q _{_in} = Vazão de água no vertedouro a montante da barragem de retenção (m³ ^/ s)
  
• Q _{de saída} = Vazão de água através da barragem de retenção (m³ ^/ s)

Para determinar Q _{_out} , é necessário primeiro determinar a quantidade de área da seção transversal reduzida pela barragem de retenção. Esse valor pode ser estimado determinando-se a porosidade da barragem. A porosidade (n) é definida como o volume de espaço de ar (vazios) em proporção ao volume total em uma amostra de solo ou agregado ^{[ 5 ]} , e como a razão entre os volumes em uma determinada amostra é igual à razão entre as áreas, a porosidade pode ser escrita como:

n=UMvoeuds/UMtotuml

ou

Equação 3:UMvoeuds=UMtotuml*n

Os _vazios podem ser substituídos por A na equação 1 para aproximar a vazão Q _através de uma barragem de retenção. Os valores de porosidade para um agregado angular, como o usado em barragens de retenção, variam de 0,2 a 0,5, com um valor típico de aproximadamente 0,3 (24). Essas equações fornecerão uma estimativa razoável somente se a barragem de retenção não estiver submersa. Em muitos casos, pode ser desejável estimar o volume de água que uma barragem de retenção é capaz de armazenar temporariamente. Isso pode ser calculado usando a equação 4:

Equação 4:V=0,5*c*h*l

onde

• V = Volume de água armazenada ( ^m³ )
• w = largura da água armazenada a montante da barragem de retenção (m)
• h = profundidade da coluna de água imediatamente a montante da barragem de retenção (m)
• l = comprimento do reservatório de água a montante da barragem de retenção (m)

Embora o nível da água a montante da barragem de retenção raramente permaneça constante devido a Q_{_out} , a Equação 4 fornece uma boa estimativa do potencial de armazenamento temporário fornecido por uma configuração específica de barragem de retenção. Dada a profundidade da água imediatamente a montante da barragem de retenção, a infiltração pode ser estimada usando a Lei de Darcy ^W para fluxo através de um meio poroso. ^{[ 5 ]}

A localização da barragem de retenção é a primeira consideração. O local deve ser na parte superior da drenagem ou leito do rio, onde os volumes de fluxo são mais controláveis. As barragens de retenção não devem ser colocadas perto de curvas ou declives acentuados no curso d'água, pois isso facilita a erosão e o fluxo preferencial da água ao redor, em vez de através, da barragem. Além disso, pode ser vantajoso colocar a barragem de retenção em uma área onde haja abundância de materiais de construção (ou seja, pedras de tamanho adequado), embora isso possa não ser possível em todos os casos.

As barragens de retenção são idealmente colocadas em série, começando nos trechos superiores do curso d'água e estendendo-se rio abaixo. O espaçamento entre as barragens de retenção deve ser tal que a altura da barragem de retenção a jusante eleve o nível da água no vertedouro até a base da barragem de retenção imediatamente a montante, conforme ilustrado abaixo. As barragens de retenção orientadas dessa maneira operam essencialmente como bacias escalonadas e podem ser modeladas como tal ^{[ 6 ]}

Os materiais devem ser obtidos antes do início da construção da barragem de retenção. Materiais para a barragem, como pedras naturais, pedaços de concreto ou fardos de feno, devem ser coletados e transportados para o local da barragem proposta. Se rochas naturais ou pedaços de concreto forem utilizados como material de construção, selecione rochas ou pedaços de concreto com pelo menos 30 a 60 centímetros de diâmetro ou pelo menos 9 quilogramas de peso. ^{[ 7 ]} Agregados desse tamanho são necessários para evitar o desmoronamento da barragem durante períodos de cheia. Além disso, materiais como pás e picaretas podem ser úteis para algumas partes da construção e devem ser coletados antes do início da construção da barragem.

A barragem de retenção deve ser orientada perpendicularmente ao fluxo do vertedouro, conforme mostrado na Figura 3. Em condições de tempo seco, inicie a escavação de uma vala transversal ao curso d'água, tanto no leito quanto nas margens. A correta instalação do aterro é essencial para garantir a estabilidade da barragem de retenção durante períodos de cheia, especialmente no caso de gabiões. O ideal é assentar pedras na camada inferior para direcionar o fluxo de água no fundo do canal para cima e sobre, em vez de por baixo, da camada de pedras.

Deve-se atentar para a altura da barragem. A construção de uma barragem de retenção deve conter um ponto baixo no centro, correspondente a metade da profundidade do canal e que se estenda por aproximadamente um terço da largura do canal. Essa porção pode ser retangular ou em forma de V e funciona como o "caminho de escoamento" da água quando o nível do reservatório ultrapassa a altura da barragem de retenção.

As partes da barragem de retenção próximas às margens do curso d'água devem ter uma altura ligeiramente inferior à do aterro. Caso não se utilize o uso de arame de reforço, a barragem de retenção deve ter uma relação altura/profundidade de no máximo 1,5:1 para manter a estabilidade durante eventos de cheia. Rochas adicionais ou outros materiais de enrocamento podem ser colocados na base da barragem de retenção para proporcionar resistência à erosão e ao momento fletor. Ao implementar barragens de retenção em série, comece pela barragem de retenção mais a montante e construa novas barragens gradualmente rio abaixo.

Uma barragem de retenção construída corretamente não requer intervenção operacional e exige manutenção mínima. As barragens de retenção devem ser inspecionadas periodicamente após a instalação e após eventos de chuva intensa. Uma barragem de retenção instalada muito abaixo em um canal de drenagem ou vertedouro, sem amortecimento adequado a montante (proveniente de outras barragens de retenção ou de outras fontes), pode estar sujeita à erosão logo abaixo da base da barragem, e uma barragem de retenção construída sem um caminho de fluxo adequado através do centro da barragem pode estar sujeita a falhas. A erosão total pode ser estimada como a soma da erosão por degradação, erosão por contração e erosão do encontro; ^{[ 8 ]} uma discussão detalhada sobre erosão é fornecida em Sturm . A foto à direita mostra uma barragem de retenção sem um caminho de fluxo através do centro; o resultado disso foi a erosão ao redor da borda externa da barragem. Embora a barragem de retenção ainda acumule água durante um evento de chuva, ela não impede mais o transporte de sedimentos para as porções mais baixas da bacia hidrográfica. Em casos como esses, a manutenção é necessária. Como a estabilidade da margem foi comprometida, a barragem de retenção deve ser estendida para cobrir a área recentemente erodida, e o formato da seção transversal da barragem deve ser ajustado para facilitar o fluxo de água pelo centro, em vez de ao redor da barragem.

A manutenção também depende do material da barragem de retenção. Projetos de construção que utilizam materiais robustos, como pedra ou concreto, exigem menos manutenção do que barragens de retenção feitas de tecido, galhos ou fardos de feno. A robustez do projeto reduz a necessidade de reparos na barragem de retenção após chuvas intensas, e a construção de gabiões pode ser desejável em cursos d'água que sofrem com altos volumes de escoamento superficial devido à integridade estrutural obtida pelo entrelaçamento de arame. Após eventos de precipitação ou durante as cheias da primavera, as barragens de retenção de tecido podem precisar ser reposicionadas ou substituídas, e os galhos ou fardos de feno devem ser reposicionados conforme necessário para manter a eficácia da barragem.

O desempenho de uma barragem de retenção pode ser analisado com base em diversos critérios. Um dos objetivos potenciais da implementação de uma barragem de retenção é aumentar a contribuição da precipitação para o lençol freático. A eficácia de uma barragem de retenção pode ser determinada medindo-se a infiltração do reservatório temporário criado pela barragem em resposta a uma precipitação, de acordo com a Lei de Darcy [1] . Outro objetivo da implementação de barragens de retenção é reduzir o transporte de sedimentos através de um canal de escoamento superficial. Os depósitos de sedimentos podem ser medidos mais facilmente ao longo do tempo registrando-se a profundidade dos sedimentos imediatamente a montante da barragem durante períodos de seca. Um método adicional para avaliar as alterações no transporte de sedimentos inclui a comparação da turbidez a jusante.

Uma avaliação adicional das barragens de retenção pode ser feita com base na longevidade da barragem e na alteração do curso do fluxo no canal. Conforme descrito na seção Construção acima, as barragens de retenção devem ser construídas para suportar vazões típicas de eventos de chuva. Além disso, o curso do fluxo no canal não deve ser alterado pela instalação de uma barragem de retenção. A erosão das margens do canal ao redor das bordas externas da barragem de retenção indica um caminho preferencial para o fluxo ao redor da barragem, em vez de através dela. Isso pode ser corrigido reduzindo a altura central da barragem ou alterando os materiais de construção utilizados para aumentar a passagem do fluxo através da área da barragem perpendicular ao fluxo do curso d'água.

O desempenho de barragens de retenção em situações reais varia de acordo com o projeto e a execução da construção. Barragens de retenção robustas em grandes aplicações e barragens de retenção de pequena escala colocadas em valas com eventos de fluxo de baixa intensidade foram documentadas como estando em funcionamento por décadas; a barragem mais antiga conhecida construída sem argamassa é uma barragem de gravidade que se acredita ter funcionado por mais de 4.000 anos. ^{[ 9 ]} Barragens de retenção mal construídas podem falhar e já falharam no primeiro evento de chuva de alta intensidade ao qual são expostas.

As barragens de retenção, quando implementadas corretamente, fornecem aporte adicional ao aquífero local; uma barragem de retenção de 1,5 a 2 m pode recarregar uma área de aproximadamente 10 hectares ^{[ 10 ]} . Além disso, podem servir como fonte temporária de água para irrigação, bem como reduzir a erosão e o transporte de sedimentos nos canais de escoamento. Os sedimentos que, de outra forma, seriam transportados pela correnteza, acumulam-se imediatamente a montante da barragem de retenção e podem servir como meio de cultivo adequado para plantas locais capazes de tolerar a exposição esporádica e intensa à água. Uma simples comparação de hidrogramas pode ilustrar muitos dos impactos positivos que as barragens de retenção proporcionam.

Como mostrado na Figura 4, um padrão hidrológico típico em cursos d'água sensíveis à precipitação é um fluxo de água curto e intenso que se dissipa rapidamente. Esse "tampão" de água repentino contribui para a erosão e inundações em um curso d'água. Quando implementadas em série, começando nos estágios superiores de uma bacia hidrográfica, as barragens de retenção reduzem a intensidade do pico hidrológico em um canal após um evento de precipitação, prolongando o tempo em que a água é transportada pelo curso d'água. Também é importante notar que o tempo de concentração ocorre mais tarde em um canal com barragens de retenção, ajustando o gradiente do curso d'água ^{[ 11 ]} ; isso proporciona maior flexibilidade nas opções de aproveitamento, se desejado. À medida que o sedimento se acumula atrás de uma barragem de retenção, ele pode se tornar adequado para o plantio de vegetação local. Em algumas áreas, as barragens de retenção podem ser usadas para o suporte de árvores frutíferas e culturas de cereais. ^{[ 12 ]}

A implementação de barragens de retenção também pode contribuir para diversos pontos de potencial conflito. As barragens de retenção alteram as características do fluxo do curso d'água em que são instaladas; embora os impactos das barragens de retenção sejam em grande parte positivos (como discutido acima), a moderação das características do fluxo afetará os usuários de água a jusante ao longo do canal. Dependendo do uso da água, a resposta moderada da precipitação pode ser indesejável ou problemática para os usuários a jusante. A implementação de barragens de retenção afeta não apenas os padrões hidrológicos, mas também o volume de água. O volume de água que as barragens de retenção contribuem para a recarga do aquífero é água que, de outra forma, continuaria a fluir a jusante. Isso pode impactar negativamente os usuários a jusante com alto consumo de água. Essas implicações devem ser consideradas antes da construção, com especial atenção aos requisitos ou diretrizes regulatórias que possam ditar o uso da água na região. A gestão de bacias hidrográficas é fortemente influenciada pela legislação ambiental; a Lei de Conservação de Peixes e Vida Selvagem de 1958 estabeleceu que os objetivos do projeto em uma bacia sejam coordenados com a conservação de peixes e vida selvagem. ^{[ 13 ]} Além disso, a Lei Nacional de Política Ambiental de 1970 [2] , as Emendas à Lei de Controle da Poluição da Água de 1972 [3] e as Emendas à Lei de Espécies Ameaçadas de 1978 e 1978 [4] fornecem diretrizes e restrições adicionais no âmbito da gestão de bacias.

A distribuição da metodologia de construção e de outras informações está atualmente em andamento por meio de diversas organizações:

Instituto de Pesquisa em Permacultura da América ^{[ 14 ]} O Instituto de Pesquisa em Permacultura da América (PRI EUA) [5] busca "trabalhar com comunidades em todo o mundo, para expandir o conhecimento e a prática da agricultura sustentável integrada usando a abordagem de sistemas completos do Design de Permacultura". O Instituto atua como um recurso e consultoria em projetos que abrangem o mundo.

O Instituto de Permacultura da Austrália : ^{[ 15 ]} O Instituto de Permacultura da Austrália (PRI Austrália) [6] promove o projeto e a manutenção conscientes de ecossistemas agrícolas produtivos, incluindo o uso de barragens de retenção. Outros Institutos de Permacultura incluem o PRI Grécia e o PRI Turquia.

Captação de Água da Chuva para Terras Secas e Além Vols 1-3 por Brad Lancaster [7] Esta série de livros informativos discute várias tecnologias de captação de água da chuva, com uma discussão específica sobre barragens de retenção. Essas publicações fornecem uma discussão detalhada sobre localização de projetos, métodos e materiais de construção e manutenção de barragens de retenção e outras técnicas de captação de água da chuva.

Instituto de Cidades Sustentáveis ​​O Instituto de Cidades Sustentáveis ​​[8] ^{[ 16 ]} é uma plataforma de recursos de sustentabilidade e oportunidades de networking destinada a ser usada como uma ferramenta para auxiliar as cidades no desenvolvimento sustentável. O instituto fornece informações sobre aplicações urbanas de barragens de retenção e biovaletas em um contexto de gestão de águas pluviais.

Uma barragem de retenção é uma alternativa a uma barragem de retenção que utiliza material impermeável, como concreto moldado in loco ou aço. As barragens de retenção geralmente possuem entalhes quadrados ou em forma de V que direcionam o fluxo pelo centro do canal. Elas são tipicamente usadas tanto em canais efêmeros quanto perenes e fornecem um meio de criar um reservatório dentro de um córrego ou rio, além de um local oportuno para medir a vazão. Barragens de retenção também podem ser utilizadas dessa maneira. A transmitância da água através da área da seção transversal da barragem de retenção pode ser estimada, e a barragem pode ser construída de forma que o formato do caminho do fluxo seja conhecido. Com essas informações, medidas relativamente precisas da vazão podem ser obtidas com base na profundidade da água que flui pelo caminho da barragem de retenção. ^{[ 13 ]} Outra alternativa às barragens de retenção é a colocação de enrocamento ao longo de um trecho extenso do canal ou córrego. Embora o enrocamento não ofereça proteção adequada contra a erosão das margens dos rios e possa não ter a capacidade de retenção de água de uma barragem de retenção, seu uso dissipa eficazmente a energia cinética da água corrente e reduz a erosão na porção central do canal. O enrocamento pode ser mais vantajoso do que uma barragem de retenção se houver grande importância na estética natural, como em um parque ou curso d'água com paisagem deslumbrante.

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