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MODELAGEM DE ÁREAS SUSCETÍVEIS À INUNDAÇÃO NA
BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO CUBATÃO SUL
Lucas Mauro Rosa da Luz
Trabalho de Conclusão de Curso
Universidade Federal de Santa Catarina
Engenharia Sanitária e Ambiental
Lucas Mauro Rosa da Luz
MODELAGEM DE ÁREAS SUSCETÍVEIS À INUNDAÇÃO NA
BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO CUBATÃO SUL
Trabalho apresentado à Universidade
Federal de Santa Catarina para a
conclusão do Curso de Graduação em
Engenharia Sanitária e Ambiental.
Orientador: Prof. Dr. Pedro Luiz
Borges Chaffe
Coorientador: BEng. Gustavo Andrei
Speckhann
Florianópolis
2017
Lucas Mauro Rosa da Luz
MODELAGEM DE ÁREAS SUSCETÍVEIS À INUNDAÇÃO NA
BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO CUBATÃO SUL
Trabalho submetido à Banca examinadora como parte dos requisitos
para a conclusão do Curso de Graduação em Engenharia Sanitária e
Ambiental
Florianópolis, 28 de Junho de 2017
Dedico este trabalho a minha mãe
(Diana). Uma guerreira! Sempre esteve
ao meu lado, fonte de inspiração e
exemplo a ser seguido.
AGRADECIMENTOS
Primeiro gostaria de dizer que estes agradecimentos não se referem
somente a execução deste trabalho, mas sim dos 7 anos que cursei esta
faculdade.
Começo os agradecimentos a aqueles que sempre estiveram ao
meu lado, minha família. Mãe, você é simplesmente a melhor de todas!
Este trabalho também é fruto de toda a sua batalha, dedico ele a você!
Obrigado por tudo que fez por mim, espero ter retribuído a altura.
Giulia, Gabriel e Jade, meus irmãos, irritantes como sempre, porém
essenciais na minha vida. Vocês são um dos motivos pelo qual eu tive
forças para finalizar esta faculdade, obrigado por tudo. Gostaria de
mencionar também a vinda do meu sobrinho Anthony, apesar de pouco
tempo conosco, já está fazendo a diferença na família, trazendo muita
alegria e renovando nossas energias.
Agradeço também a minha avó Sonia, infelizmente não está mais
entre nós, mas quando viva, me ensinou a ter disciplina, fator
importantíssimo em minha jornada. Outra pessoa muito importante para
mim, a qual também agradeço, é minha tia Laureci (Lau), parceira para
todas as horas, sempre me ajudou e torceu por mim. Por fim, agradeço a
todos das famílias Rosa e Luz, igualmente importantes nesta jornada.
Quero agradecer também a melhor turma da história do ENS,
turma “Dex Dox”. Vocês são os melhores, parceria desde que entramos,
essencial para que eu pudesse ultrapassar todas as barreiras que
apareceram nestes anos de faculdade. São tantos os momentos que
vivemos, que daria para escrever um livro! Momentos que vão desde de
maratonas de estudos para as provas de cálculo e física até o redemoinho
do amor nas festas da piscina. Esse livro seria um best seller, talvez uma
boa saída para enfrentar essa crise, já que ganhar o “piso” está difícil. Em
especial, quero agradecer ao Paulo e o Tijucas (Vitor), dois grandes
amigos que tive o prazer de conhecer, caras que eu me identifico muito e
que me ajudaram a crescer através de tantas conversas nos bares,
churrascos e viagens. Enfim, todas da turma 10.2 foram muito
importantes, fazem a e farão parte da minha vida.
Agradeço também ao professor Pedro Chaffe por ter aceitado ser
meu orientador. Sinceramente, o professor Pedro tem um estilo próprio
de lidar com os alunos, obrigando-os a correr atrás das coisas, não dando
nada de “bandeja”. Mas agradeço muito por ele ter este estilo, aprendi
muito nas matérias ministradas por ele, e neste trabalho de conclusão de
curso não foi diferente. Obrigado pelas dicas e sugestões dadas para este
trabalho. Também gostaria de agradecer ao meu coorientador Gustavo
pela ajuda nas medições de campo e também nas sugestões dadas ao meu
TCC. Agradeço também a todos do Laboratório de Hidrologia, pois
também fizeram parte deste trabalho.
Ao Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental e todos
seus professores, também gostaria de deixar meus agradecimentos. Cada
professor do departamento tem uma parcela de contribuição na minha
formação.
Por fim, gostaria de deixar meus agradecimentos a sociedade
brasileira, afinal, sem ela não existira Universidade Federal pública e
gratuita. Sinceramente, não sei se seria possível obter um diploma se eu
tivesse que pagar por ele, certamente seria muito mais difícil e demorado.
Sei que a UFSC ainda tem muito que melhorar, mas a infraestrutura que
nos é fornecida é suficiente para que possamos nos capacitar com nível
de excelência. Portanto, agradeço a todo investimento que a sociedade fez
em mim, espero poder retribuir a altura.
“Nobody owns water. Drink some
and try to keep it”
(Autor desconhecido)
RESUMO
As inundações são caracterizadas pelo extravasamento da água do
leito de escoamento natural de um rio. É provável que este tipo de desastre
seja o mais frequente, abrangente e danoso para a sociedade humana. Os
danos associados às inundações podem ser separados em danos
ambientais, sociais e econômicos, tornando-se necessária a adoção de
medidas que diminuam, que evitem e que também preparem a sociedade
para lidar com estes eventos. Uma importante ferramenta de planejamento
é a obtenção das áreas suscetíveis às inundações em um determinado
local, pois assim é possível estimar, por exemplo, a população afetada,
perdas financeiras e áreas vulneráveis. O objetivo deste trabalho foi a
obtenção das áreas suscetíveis às inundações na Bacia do Rio Cubatão
Sul. A área de estudo encontra-se no município de Santo Amaro da
Imperatriz, localizado na Bacia Hidrográfica do Rio Cubatão Sul. A
modelagem foi aplicada às áreas mais urbanizadas onde os danos a
sociedade são potencialmente maiores. Para a obtenção das áreas
suscetíveis às inundações, optou-se pela utilização de um modelo
hidrodinâmico 1D, utilizando-se o software HEC-RAS, o qual computou
a passagem de uma onda de cheia através do leito do rio para diferentes
tempos de retorno. O modelo foi calibrado utilizando-se dados obtidos
em campo, porém esta etapa provou-se complicada. Após a calibração,
foram obtidas as manchas de inundação para os tempos de retorno de 100,
50 e 20 anos através da utilização de ferramentas de geoprocessamento.
Palavras-Chave – Modelagem de inundação. HEC-RAS. Bacia do Rio
Cubatão.
ABSTRACT
Floods are characterized by the overflow of the water of the natural flow
riverbed. Probably, it is the most frequent, widespread, and harmful
natural disaster to human societies. The damages related to flooding
divide themselves to environmental damages, social damages, and
economic damages, which makes necessary the adoption of
measurements that decrease, avoid, and prepare the society on how to deal
with those events. An important management tool is to obtain the flood
prone areas in a specific location because it allows estimating, for
example, the affected people, financial losses, and vulnerable areas. The
project goal was to obtain the prone flood areas in the Cubatão Sul River
Basin. The Santo Amaro da Imperatriz municipality is the study area,
which locates itself in the Cubatão Sul River Basin. The modeling was
performed in the most urbanized areas of the basin where the society
damages would be potentially greater. In order to obtain the flood prone
areas, it was chosen a 1D hydrodynamic model that was performed by the
HEC-RAS, whose computed a flood wave passing through the river for
different return times. The model calibration utilized data acquired on
field, but this project stage proved itself to be complicated. After
calibration, the flood prone areas were obtained for the 100, 50, and 20
return times.
Keywords – Inundation modeling. HEC-RAS. Cubatão Sul river basin.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Ilustração dos casos de enchente e inundação. .................. 29 Figura 2 – Hidrograma típico resultante de um evento de precipitação.
........................................................................................................... 32 Figura 3 – Ilustração de planilha e gráfico do modelo dos blocos
alternados .......................................................................................... 35 Figura 4 - Área de modelagem e Sub bacias contribuintes ............... 38 Figura 5 - Fluxograma do projeto...................................................... 39 Figura 6 - Mapa de uso do solo da Bacia Hidrográfica do Rio Cubatão Sul
........................................................................................................... 43 Figura 7 - Hidrograma Unitário Sintético pelo Método de Snyder. .. 45 Figura 8 - Equipamento (ADCP) sendo atravessado de uma margem a
outra na seção 01 (montante) ............................................................ 48 Figura 9 - Seções fornecidas pelo ADCP .......................................... 49 Figura 10 – A) Seção antes da inserção dos dados de campo. B) Seção
após a inserção dos dados de campo ................................................. 49 Figura 11 - Precipitação de projeto ................................................... 51 Figura 12 - Precipitação efetiva - Sub-bacia do Rio Cubatão Sul ..... 51 Figura 13 - Precipitação efetiva - Sub-bacia do Rio do Braço .......... 52 Figura 14 - Precipitação efetiva - Sub-bacia do Rio Matias .............. 52 Figura 15 - Precipitação efetiva - Sub-bacia do Rio Ribeirão Braço do
Sertão ................................................................................................ 53 Figura 16 - Hidrograma Unitário - Sub-bacia do Rio Cubatão Sul ... 54 Figura 17 - Hidrograma Unitário - Sub-bacia do Rio Braço ............. 54 Figura 18 - Hidrograma Unitário - Sub-bacia do Rio Matias ............ 55 Figura 19 - Hidrograma Unitário - Sub-bacia do Rio Ribeirão Braço do
Sertão ................................................................................................ 55 Figura 20 - Hidrogramas de cheia da Sub-bacia do Rio Cubatão ..... 56 Figura 21 - Hidrogramas de cheia da Sub-bacia do Rio do Braço .... 56 Figura 22 - Hidrogramas de cheia da Sub-bacia do Rio Matias ........ 57 Figura 23 - Hidrogramas de cheia da Sub-bacia do Rio Ribeirão Braço do
Sertão ................................................................................................ 57 Figura 24 - Mancha de inundação - TR 20 anos ............................... 60 Figura 25 - Mancha de inundação - TR 50 anos ............................... 61 Figura 26 - Mancha de inundação - TR 100 anos ............................. 62 Figura 27 - Manchas de inundação sobrepostas ................................ 63
LISTA DE QUADROS
Quadro 1- Condição de antecedência do solo .................................. 42 Quadro 2- Classe de uso do solo e valor do CN correspondente ...... 43 Quadro 3 - Coeficientes de rugosidade de Manning ......................... 47
LISTA DE TABELAS
Tabela 1- Recomendação de uso de equações para diferentes
características de bacias hidrográficas. ............................................. 31 Tabela 2 - Tempo de concentração das sub-bacias analisadas .......... 40 Tabela 3 - Intensidade, duração e frequência das chuvas para o município
de Santo Amaro da Imperatriz .......................................................... 41 Tabela 4 - Curve Number ponderado das sub-bacias analisadas ....... 44 Tabela 5- Vazões de pico dos hidrogramas unitários ........................ 53 Tabela 6- Vazões de pico dos hidrogramas de cheia ......................... 58 Tabela 7 – Total das áreas alagadas .................................................. 64
LISTA DE ABREVIATURAS
ANA Agência Nacional de Águas
CN Curve Number
EM-DAT Emergency Database
FATMA Fundação do Meio Ambiente de Santa Catarina
HU Hidrograma Unitário
MIC Ministério das Cidades
MDT Modelo Digital de Terreno
NRCS Natural Resource of Conservation Service
SCS Soil Conservation Service
SDS Secretaria de estado e Desenvolvimento Sustentável de
Santa Catarina
TC Tempo de Concentração
TR Tempo de Retorno
USACE United States Army Corps of Engineers
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................... 25 1.1 OBJETIVOS ......................................................................... 27
1.1.1 Objetivo Geral: ............................................................. 27
1.1.2 Objetivos específicos: ................................................... 27
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................... 29 2.1 ENCHENTES ........................................................................... 29
2.2 TEMPO DE CONCENTRAÇÃO ................................................... 30
2.3 HIDROGRAMA ........................................................................ 31
2.4 HIDROGRAMA UNITÁRIO ....................................................... 32
2.5 MÉTODO SCS ........................................................................ 33
2.6 MÉTODO DOS BLOCOS ALTERNADOS .................................... 34
2.7 MODELAGEM HIDRÁULICA .................................................... 35
3 METODOLOGIA ............................................................... 37 3.1 ÁREA DE ESTUDO .................................................................. 37
3.2 FLUXOGRAMA DO PROJETO ................................................... 38
3.3 TEMPO DE CONCENTRAÇÃO .................................................. 39
3.4 CHUVA DE PROJETO ............................................................... 40
3.5 MÉTODO SCS ........................................................................ 42
3.6 HIDROGRAMAS UNITÁRIOS ................................................... 44
3.7 COEFICIENTE DE RUGOSIDADE DE MANNING ........................ 46
3.8 SEÇÕES TRANSVERSAIS ......................................................... 47
3.9 PREMISSAS DO PROJETO......................................................... 49
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................ 51 4.1 BLOCOS ALTERNADOS .......................................................... 51
4.2 HIDROGRAMAS UNITÁRIOS SINTÉTICOS ................................ 53
4.3 HIDROGRAMAS DE CHEIA ...................................................... 55
4.4 CALIBRAÇÃO DO MODELO .................................................... 58
4.5 MANCHAS DE INUNDAÇÃO .................................................... 59
5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ......................... 65
25
1 INTRODUÇÃO
As inundações são um fenômeno global que afetam a vida das
pessoas desde os tempos antigos. Dentre os desastres naturais, as
inundações, se destacando pela recorrência, abrangência e capacidade de
destruição dos eventos (TENG et. al., 2017). No Brasil. estima-se que as
inundações corresponderam a mais de 70% dos desastres naturais durante
o período entre 2006 a 2016 (EM-DAT, 2017). No mesmo período, o
número de fatalidades ocasionadas pelas inundações foi de 1929 mortes,
correspondendo a aproximadamente 90% do total das mortes por
desastres naturais no país.
As inundações podem ser consideradas um caso especifico das
enchentes que ocorrem nos leitos de escoamento dos rios. Segundo
Fernandes et. al. (2013) as enchentes são definidas como sendo a vazão
máxima observada em certa seção fluvial capaz de extravasar ou não os
limites do leito menor e que pode provocar ou não prejuízos materiais.
Dependendo da magnitude que determinada enchente atinge, o nível da
água pode elevar-se a ponto de ocasionar o transbordamento do rio e
assim ocasionar uma inundação. Os principais fatores hidrológico-
hidráulicos naturais que propiciam enchentes são o relevo, tipo e
intensidade da precipitação, cobertura vegetal, capacidade de drenagem,
geologia, morfologia fluvial, extensão do canal e da planície de
inundação, interação canal-planície de inundação e rugosidade (MONTE,
2015).
O processo de urbanização das bacias hidrográficas contribui para
o aumento da ocorrência das enchentes, segundo Tucci (2005) as
enchentes aumentam a sua frequência e magnitude por causa da
impermeabilização do solo e da construção da rede de condutos pluviais.
Minimizar, ou até mesmo evitar, a ocorrências de inundações em
determinado local requer a adoção de soluções preventivas, que são
classificadas em estruturais e não-estruturais. De acordo com Momo
(2015) medidas estruturais e não estruturais têm sido adotadas para
minimização dos danos gerados por inundação. As primeiras envolvem
ações que atuam no escoamento da onda de cheia enquanto as segundas
abrangem ações preventivas e de convivência com este tipo de evento
hidrológico extremo. Kobiyama et al. (2004b) diz que as medidas
estruturais são geralmente mais complexas e caras, enquanto que medidas
não-estruturais são mais simples de se implantar além de terem menores
custos associados.
Dentre as técnicas não estruturais mais difundidas destaca-se o
mapeamento de áreas inundáveis, sendo uma alternativa viável
26
financeiramente e útil nos estudos de risco. Para a realização do
mapeamento de inundações comumente são utilizados modelos
matemáticos hidráulicos 1D e 2D (conceituais ou empíricos) para
representar fenômenos envolvidos de ordem hidráulica, os quais
determinam a cotas (1D e 2D) e as áreas inundadas (2D) (MONTE, 2015).
As versões 1D têm demonstrado que os resultados das previsões
são satisfatórios além de serem computacionalmente eficientes
(COUTINHO, 2015), no entanto, sofrem algumas desvantagens incluindo
a inabilidade de simular a difusão lateral do escoamento, a discretização
da topografia entre seções e a subjetividade do posicionamento das seções
(TENG et. al. 2017).
Versões 2D foram reportadas como capazes de simular duração e
tempo de inundações com grande precisão, porém requerem uma
demanda computacional elevada (TENG et. al, 2017). Além disso,
modelagens 2D necessitam de modelos digitais de terrenos (MDT) como
dados de entrada, no entanto, a maioria dos MDTs disponíveis não trazem
informações batimétricas do rio. Segundo Ribeiro Neto, Batista e
Coutinho (2016) a modelagem Hidráulica requer informações
batimétricas das seções transversais com referência altimétrica, isso
permite a definição da área e perímetro molhados, assim como o gradiente
longitudinal do leito do rio. Portanto, a falta de informações batimétricas
também é, neste caso, considerada uma limitação dos modelos 2D.
A modelagem hidrodinâmica como HEC-RAS (USACE-HEC,
2010) e LISFLOOD-FP (HORRITT; BATES, 2002), tem sido
amplamente utilizada na elaboração de mapas de perigo de inundação,
sendo comumente empregada também para a previsão de inundações
(SAVAGE et al., 2014). No entanto, o custo computacional elevado e o
nível de especificidade dos dados de entrada podem ser entraves na
realização da modelagem hidrodinâmica.
Diante do exposto, o objetivo deste trabalho foi realizar uma
modelagem hidráulica de modo a identificar as áreas suscetíveis à
inundação na Bacia Hidrográfica do Rio Cubatão Sul. Foi escolhida como
área de estudo a parte mais urbanizada da bacia devido a importância da
adoção de medidas em locais densamente povoados, visto que os danos
causados pelos impactos decorrentes das inundações seriam mais severos
nestes locais.
27
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo Geral:
O objetivo geral deste trabalho foi a obtenção das áreas suscetíveis
às inundações na Bacia do Rio Cubatão Sul.
1.1.2 Objetivos específicos:
Obter os Hidrogramas de cheia das bacias contribuintes para
cada período de retorno para a área de estudo;
Obter as alturas máximas atingidas pelo nível da água em cada
um dos eventos de chuva;
Elaboração de Mapas da mancha de inundação para cada tempo
de retorno;
29
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 ENCHENTES
As enchentes são processos naturais e de ocorrência frequente nas
calhas dos cursos d`água, decorrente diretamente das precipitações. As
enchentes são definidas como sendo a vazão máxima observada em certa
seção fluvial capaz de extravasar ou não os limites do leito menor e que
pode provocar ou não prejuízos materiais (FERNANDES et. al. 2013).
De acordo com Ministério da Cidades - MIC (2007) enchentes são
definidas pela elevação do nível d’água no canal de drenagem devido ao
aumento da vazão, atingindo a cota máxima do canal, porém, sem
extravasar. No entanto, dependendo da magnitude de uma enchente, esta
pode tornar-se uma inundação. Segundo Kobiyama et al. (2006) a
inundação é caracterizada pelo aumento do nível dos rios além da sua
vazão normal, ocorrendo o transbordamento de suas águas sobre as áreas
próximas a ele. Estas áreas próximas, suscetíveis ás inundações, são
chamadas de planície de inundação ou área de várzea. A Figura 1 ilustra
o nível da água em uma seção de escoamento de um rio nos casos de
enchente ou inundação.
Figura 1- Ilustração dos casos de enchente e inundação.
Fonte: MIC (2007)
A magnitude e frequência das inundações ocorrem em função da
intensidade e distribuição da precipitação, da taxa de infiltração de água
no solo, do grau de saturação do solo e das características morfométricas
e morfológicas da bacia de drenagem. Em condições naturais, as planícies
30
e fundos de vales estreitos apresentam lento escoamento superficial das
águas das chuvas, e nas áreas urbanas estes fenômenos têm sido
intensificados por alterações antrópicas, como a impermeabilização do
solo, retificação e assoreamento de cursos d’água (SÃO PAULO, 2009).
Consequentemente, o processo de urbanização das bacias
hidrográficas contribui para o aumento da ocorrência tanto das enchentes
quanto de inundações. De acordo com Tucci (2005) as enchentes
aumentam a sua frequência e magnitude por causa da impermeabilização
do solo e da construção da rede de condutos pluviais. O desenvolvimento
urbano pode também produzir obstruções ao escoamento, como aterros,
pontes, drenagens inadequadas, obstruções ao escoamento junto a
condutos e assoreamento.
2.2 TEMPO DE CONCENTRAÇÃO
O entendimento teórico de tempo de concentração é, de certa
maneira, consenso entre os cientistas e comunidade técnica, porém a
maneira prática de determiná-lo utilizando dados de chuva e vazão não é
muito precisa (MOTA, 2012).
De acordo com Mays (2005) o tempo de concentração (TC) para
uma bacia hidrográfica é o tempo que uma partícula de água leva para
viajar do ponto hidrologicamente mais distante da bacia até o ponto de
interesse, por exemplo, o exutório da bacia. Dingman (2002) define o TC
como um conceito muito útil para visualizar a resposta hidrológica.
Considera-se que quando a chuva efetiva continua em taxa constante por
uma duração igual ou maior que TC, a vazão de resposta será constante e
na mesma taxa que a chuva efetiva, até que a chuva acabe.
Existem uma série de equações empíricas para obtenção do valor
do TC. Cada uma é indicada para diferentes características de bacias
hidrográficas. Conforme apresentado no trabalho Silveira (2005), onde 22
equações diferentes para obtenção do tempo de concentração foram
avaliadas. A Tabela 1 mostra a recomendação de uso para diferentes
equações estudadas por Silveira (2005).
31
Tabela 1- Recomendação de uso de equações para diferentes
características de bacias hidrográficas.
Fórmulas Ordem
Bacias Rurais Bacias urbanas
Áreas (km²)
EM%
EP% Áreas (ha)
EM %
EP%
Corps E. 1R <12000 9 21
V. Chow 2R <12000 -7 19
Onda Cin. 3R <12000 2 20
Kirpich 4R, 3U <12000 -9 19 <2700 1 39
Carter 1U <1100 1 40
Schaake 2U <62 -9 30
Desbordes 4U <5100 11 49
Fonte: SILVEIRA (2005), onde R = Rural, U = Urbana, EM é o erro
médio percentual, EP é o erro padrão e a Ordem diz respeito ao
desempenho da equação, sendo 1R a equação que obteve o melhor entre
as estudadas.
A metodologia escolhida por Silveira (2005) para avaliação e
comparação das fórmulas de tempo de concentração é simples e baseia-
se nos erros médios percentuais (EM) de cada fórmula na sua faixa de
áreas de melhor desempenho A seleção das faixas de áreas de melhor
desempenho de cada fórmula foi realizada identificando-se a seqüência
de bacias ordenadas por área onde se concentrava o maior número de
casos onde EM, em valores absolutos, fosse menor ou igual a 30%. Esta
seqüência deveria ter o maior número possível de bacias (desde que maior
que cinco) e ter mais da metade dos valores absolutos de EM menores ou
iguais a 30%. Com este critério avalia-se o erro médio percentual EM e
seu desvio-padrão, ou erro-padrão EP, de cada fórmula de tempo de
concentração selecionada (SILVEIRA, 2005).
2.3 HIDROGRAMA
O hidrograma é uma expressão integral da fisiografia e características climáticas que governam a relação entre a precipitação e o
escoamento superficial de uma bacia hidrográfica em particular (CHOW,
1964). O hidrograma que relaciona a vazão com o tempo é o mais usado
por hidrólogos no estudo do comportamento do escoamento superficial
em uma bacia hidrográfica. Isso porque representa a variação do fluxo no
32
canal após a ocorrência de precipitações ou outros processos que afetem
a vazão no trecho avaliado.
Segundo CHOW (1964), o hidrograma típico proveniente de uma
chuva possuí 4 trechos distintos, são eles: i) recessão do escoamento de
base (trecho inicial), que ocorre antes do evento de precipitação; ii)
ascensão do escoamento devido ao início da chuva até a vazão de pico;
iii) recessão do escoamento até que não exista mais escoamento
superficial contribuindo; e iv) recessão do escoamento de base
novamente. A Figura 2 ilustra os quatro trechos do hidrograma
Figura 2 – Hidrograma típico resultante de um evento de precipitação.
Fonte: Adaptado de CHOW (1964).
2.4 HIDROGRAMA UNITÁRIO
Segundo Mays (2005), o hidrograma unitário é definido como o
hidrograma resultante de 1 centímetro de chuva excedente (chuva
unitária) uniformemente distribuída sobre a bacia e com intensidade
constante para uma duração efetiva. De acordo com Pinto (1976) a análise de diversos fluviogramas de cheias, em diferentes cursos d’água, permitiu
à Sherman (1932) a identificação de um padrão na sucessão das vazões
de enchentes e traduzir, através de leis gerias, os princípios básicos que
33
regem as variações do escoamento superficial resultante de determinada
precipitação pluvial.
Sherman (1932) tratou o processo de transformação da
precipitação efetiva em escoamento superficial como um processo linear.
Esse processo é governado por uma função de transferência, também
chamada HU, onde há uma resposta da bacia para um impulso de
precipitação efetiva. Logo, uma unidade de precipitação efetiva é igual a
uma unidade de escoamento superficial.
Os princípios apresentados por Sherman, considerando chuvas de
distribuição uniforme e constante sobre a bacia, são:
Constância do tempo de base: Em uma dada bacia hidrográfica,
o tempo de duração do escoamento superficial é constante para
chuvas de igual duração;
Proporcionalidade: Duas chuvas de igual duração, produzindo
volumes diferentes de escoamento superficial, dão lugar a
fluviogramas em que as ordenadas, em tempos correspondentes,
são proporcionais aos volumes totais escoados;
Aditividade: A distribuição, no tempo, do escoamento
superficial de determinada precipitação independe de
precipitações anteriores, logo, as respostas de cada impulso de
precipitação podem ser somadas;
A obtenção do hidrograma unitário requer que se tenham dados de
vazões e precipitações ao longo de um certo período de tempo. Na
ausência de dados, é necessário que se obtenha o hidrograma unitário
através de métodos empíricos. Estes métodos permitem que se computem
os hidrogramas unitários sintéticos.
Segundo Tucci e Silveira (2014) os hidrogramas sintéticos foram
estabelecidos com base em dados observados de algumas bacias e são
utilizados quando não existem dados que permitam estabelecer o
hidrograma unitário através de medições de vazões nos cursos d`água.
Diversas são as características físicas das bacias hidrográficas que podem
influenciar o hidrograma resultante de certa precipitação, tais como: área;
declividade; dimensões e rugosidade do canal; densidade da rede de
drenagem; forma; recobrimento vegetal e uso do solo (PINTO, 1976).
2.5 MÉTODO SCS
Departamento de Conservação do Solo Norte-Americano – antigo
Soil Conservation Service (SCS) e atual Natural Resource of
34
Conservation Service (NRCS) desenvolveu um método para calcular a
relação entre a precipitação total e a precipitação efetiva (UNITED
STATES, 1972).
Para o total de chuva sobre uma bacia, a altura correspondente a
precipitação efetiva ou escoamento superficial (Pe) é sempre menor ou
igual a altura total da precipitação (P). De maneira similar, após o início
do escoamento superficial, a quantidade adicional de água retida na bacia
(Fa) é menor ou igual a uma retenção potencial máxima S. Existe certa
quantidade da precipitação inicial Ia para a qual não ocorrerá escoamento,
logo, o escoamento potencial é P − Ia. O método SCS assume que a
proporção entre as duas atuais e as duas quantidades potenciais são iguais
(MAYS, 2005). A NRCS observou que para diversas bacias
experimentais, de menor dimensão, a relação empírica Ia = 0,2S. Com
base nisto, a equação pode ser escrita da seguinte maneira:
𝑃𝑒 = (𝑃−0.2𝑆)2
𝑃−0.8𝑆 (01)
𝑆 = 25400
𝐶𝑁− 254 (02)
onde Pe é a precipitação efetiva (mm/h), P é a chuva de projeto (mm/h) e
CN é o curve number do escoamento superficial que varia entre 0 ≤ CN ≤
100 em função do uso do solo.
2.6 MÉTODO DOS BLOCOS ALTERNADOS
A metodologia denominada de blocos alternados (CHOW et. al.,
1988) distribui a precipitação ao longo do tempo de forma a buscar um
cenário crítico de precipitação. Este cenário baseia-se em precipitação
pequena e média no início e final do tempo do evento, e precipitação alta
próximo ao meio do mesmo. Para esta metodologia, são realizados os
seguintes passos:
Definição do período de retorno;
Definição da duração da chuva de projeto;
Determinação do total de precipitação, utilizando a curva I.D.F
ou equação de chuvas apropriada;
Definição da duração de cada bloco de chuva;
O procedimento é então organizado em uma planilha contendo as
seguintes colunas: duração dos blocos de chuva; intensidade para cada
uma das durações dos blocos de chuva; total de precipitação para cada
35
duração; incremento dos totais de precipitação; intensidade
correspondente aos incrementos dos totais de precipitação; rearranjo das
intensidades - maior intensidade aproximadamente à metade do período
de duração da chuva, o segundo maior valor no bloco seguinte, o terceiro
maior valor no bloco anterior, e assim por diante; total de precipitação em
cada bloco.
Figura 3 – Ilustração de planilha e gráfico do modelo dos blocos
alternados
2.7 MODELAGEM HIDRÁULICA
Modelos Hidrodinâmicos são modelos matemáticos que tentam
replicar os movimentos de fluidos através de soluções computacionais.
Estes modelos simulam o movimento da água através da solução de
equações formuladas pelas leis da Física (TENG et. al. 2017). Os modelos
hidrodinâmicos podem ser divididos de acordo com o número de
coordenadas necessárias para representar a componente da velocidade em
um dado ponto na seção, sendo assim, os modelos são agrupados em
modelos1D, 2D e 3D.
De acordo com Teng et. al. (2017) a representação mais simples
de um escoamento superficial é trata-lo como sendo unidimensional (1D)
ao longo do eixo central do leito do rio. Geralmente, modelos 1D
resolvem as equações diferenciais assegurando a conservação da
quantidade de movimento e da massa entre duas seções transversais, estas
equações são conhecidas como as equações unidimensionais de Saint-
Venant, apresentadas a seguir.
Conservação da massa 𝜕𝑄
𝜕𝑥+
𝜕𝐴
𝜕𝑥= 0 (03)
Conservação da quantidade de movimento
36
1
𝐴
𝜕𝑄
𝜕𝑡+
1
𝐴
𝜕𝑄²
𝐴
𝜕𝑥+ 𝑔
𝜕ℎ
𝜕𝑥− 𝑔(𝑆0 − 𝑆𝑓) = 0 (04)
𝑄 = 𝑢𝐴 (05)
onde u é a velocidade média na seção (m/s), A é a área da seção (m²), t é
o tempo (s), h é a profundidade da água (m), g é a aceleração da gravidade
(m/s²), Sf é a declividade da linha de energia (m/m) e S0 é a declividade
do canal (m/m).
O Software HEC-RAS é capaz de computar a altura da lâmina
d’água a partir de uma seção a montante até outra a jusante resolvendo da
equação de energia (equação 03) através de um procedimento interativo
chamado Standard Step Method (USACE, 2016). A equação da energia é
obtida a partir do desenvolvimento e substituição de parâmetros das
equações 01, 02 e 03, sendo a equação final apresentada a seguir.
𝑍2 + 𝑌2 + 𝛼2𝑢2
2
2𝑔= 𝑍1 + 𝑌1 + 𝛼1
𝑢21
2𝑔+ ℎ𝑒 (06)
onde Z é a elevação do leito do rio (m), Y é a altura da lâmina d’água na
seção (m), u é a velocidade média da seção (m/s), g é a aceleração da
gravidade (m/s²), he é a perda de energia (m) e α é o fator de correção de
energia.
37
3 METODOLOGIA
3.1 ÁREA DE ESTUDO
A bacia de estudo do encontra-se localizada no estado de Santa
Catarina, região Sul do Brasil, tendo como principais municípios
inseridos nela são os de Águas Mornas, Santo Amaro da Imperatriz e
parcialmente os municípios de Palhoça e São Pedro de Alcântara.
O rio Cubatão do Sul, principal curso d’água da bacia, origina-se
da junção dos rios Novo e do Salto, em altitudes superiores a 1200 m.
Além de ser utilizado para o turismo, o rio também é de suma importância
para o sistema de abastecimento de água de uma parcela significativa da
população da Grande Florianópolis. O Rio Cubatão é responsável pelo
abastecimento de cerca de 700 mil habitantes dos municípios de Santo
Amaro da Imperatriz, Palhoça, Biguaçu, São José e Florianópolis
(MENDES, 2013).
Para realização da modelagem hidráulica não foi considerada toda
a área da bacia, visto que a maior parte coberta por florestas. Assim, foi
definida como área de modelagem a parte mais urbanizada da bacia. Uma
vez que é onde a maior parte da população residente está concentrada. As
áreas mais urbanizadas são os locais onde as perdas sociais e econômicas
ocorrem com maior intensidade, por isso a importância de se analisar tais
locais.
Após a definição da área do modelo, foram identificadas as sub-
bacias contribuintes, são elas:
Sub bacia do Rio Cubatão Sul;
Sub bacia do Rio Ribeirão Braço do Sertão;
Sub bacia do Rio Matias;
Sub bacia do Rio do Braço;
Tais sub-bacias posteriormente resultaram nos hidrogramas de
cheia que foram inseridos no software para a realização da modelagem.
A Figura 4 apresenta a localização da bacia hidrográfica do Rio Cubatão
Sul, a área mais urbanizada da bacia (área do modelo) e também as quatro
sub-bacias contribuintes.
38
Figura 4 - Área de modelagem e Sub bacias contribuintes
3.2 FLUXOGRAMA DO PROJETO
A metodologia proposta neste projeto utilizou métodos e técnicas
bastantes difundidas. O método SCS (UNITED STATES, 1972),
hidrograma unitário sintético de Snyder (1938), a fórmula de Kirpich
(1940) para o tempo de concentração e a utilização do HEC-RAS para a
modelagem (USACE, 2010) são todas metodologias já consagradas e
conhecidas por hidrólogos e engenheiros de recursos hídricos. A Figura 5
apresenta o Fluxograma do projeto com todas as etapas seguidas para
obtenção das áreas suscetíveis as inundações.
39
Figura 5 - Fluxograma do projeto
Legenda Dado
primário
Dado
secundário
Resultado da
aplicação da
metodologia
Modelagem Resultado
3.3 TEMPO DE CONCENTRAÇÃO
Foi escolhida para o cálculo de tempo de concentração (TC) a
equação proposta por Kirpich (1940). De acordo com Silveira (2005) a
fórmula de Kirpich pode ser usada com bons resultados em bacias rurais
de médio e grande porte, a despeito de sua calibração com dados de bacias
pequeníssimas do Tennessee (EUA). Além de apresentar um erro médio
bastante razoável para bacias entre 150 e 12.000 km², cerca de -9%,
revelou ter também um erro padrão reduzido, 19%, o menor de todas as
40
fórmulas avaliadas no estudo. A equação 01 apresenta a o cálculo
proposto por Kirpich (SILVEIRA, 2005).
𝑇𝑐 = 0,0663𝐿0,77𝑆0,385 (07)
onde L é a extensão do curso d’água (km) e S é a declividade (m/m).
O tempo de concentração foi calculado para as quatro sub-bacias
contribuinte, a Tabela 2 apresenta os resultados obtidos. Foi utilizada a
declividade equivalente no cálculo de TC, uma vez que a declividade ao
longo do curso d`água não é constante, sendo geralmente mais acentuada
nas nascentes dos cursos d`água, assim justifica-se o uso da declividade
equivalente. A equação 08 apresenta o cálculo.
𝐼𝑒𝑞 = 𝐿
∑𝐿𝑖
√𝐼𝑖
𝑛𝑖=1
(08)
onde L é o comprimento do rio principal (km) dividido em n trechos e Li
e Ii são a extensão (km) e declividade (m/m) do trecho respectivamente.
Tabela 2 - Tempo de concentração das sub-bacias analisadas
Sub bacia Área
Comprimento
do rio
principal
Declividade
equivalente
Tempo de
concentração
km² km m/m Horas
Sub Bacia do Rio
do Braço 186,50 32,45 0,0016 11,52
Sub Bacia do Rio
Cubatão Sul 415,50 44,84 0,0061 8,19
Sub bacia do Rio
Matias 81,40 19,50 0,0026 6,32
Sub bacia do Rio
Ribeirão Braço do
Sertão
19,55 10,15 0,0032 3,61
3.4 CHUVA DE PROJETO
Para definição da intensidade da chuva de projeto foi necessária a
utilização da equação I.D.F (intensidade, duração e frequência). Mendes
(2013) utilizou os dados obtidos por Nerilo et. al. (2002), conforme
41
Tabela 3, para obter a equação I.D.F (equação 03) do município de Santo
Amaro da Imperatriz. Segundo Mendes (2013) os valores obtidos pela
equação 09, quando comparados com os valores medidos por NERILO et al (2002), apresentaram variações menores que 4%, valor considerado
aceitável para utilização da equação. Portanto, neste projeto será utilizada
a equação obtida por Mendes (2013) para a obtenção dos valores de
intensidade de chuva.
𝑖 = 1157,8𝑇0,1904
(𝑡+12)0,759617 (09)
onde T é o período de retorno (anos) e t é a duração da chuva (hr).
Tabela 3 - Intensidade, duração e frequência das chuvas para o município
de Santo Amaro da Imperatriz
Duração
(min)
Frequência
5 anos
(mm)
10 anos
(mm)
20 anos
(mm)
50 anos
(mm)
100 anos
(mm)
5 183.1 216 247.5 293.5 324.7
10 145.4 171.5 196.6 233.1 257.8
15 125.6 148.2 169.9 201.4 222.8
20 109 128.6 147.4 174.8 193.4
25 98 115.6 132.5 157.1 173.8
30 89.7 105.9 121.3 143.9 159.2
60 60.6 71.5 82 97.2 107.5
360 17.3 20.4 23.4 27.8 30.7
480 14.1 16.6 19 22.6 25
600 11.8 14 16 19 21
720 10.2 12.1 13.8 16.4 18.1
1440 6 7.1 8.1 9.6 10.7
Fonte: Nerilo et. al. (2002).
Após a definição da equação I.D.F. foram definidos os tempos de
retorno e também a duração da chuva.
42
A duração da chuva foi escolhida como o maior TC entre as 4
bacias contribuintes a área de modelagem, assim garantiu-se que toda a
bacia estava contribuindo com vazão a área de interesse. O maior tempo
de concentração calculado foi o da Sub-bacia do Rio do Braço, assim, o
tempo de duração da chuva inserido na equação foi de 11,52 horas.
Por fim, foram definidos os tempos de retorno para a definição da
chuva de projeto. O Manual de Drenagem e Manejo de Águas Pluviais da
Secretaria de Municipal de Desenvolvimento Urbano de São Paulo (SÃO
PAULO, 2012) aconselha para obras de microdrenagem tempos de
retorno variando entre 2 a 10 anos e tempos de retorno acima de 20 anos
para obras de macrodrenagem e grandes corredores de tráfego e áreas
vitais a cidade. Assim, optou-se por avaliar os períodos de retorno de 20,
50 e 100 anos neste projeto.
3.5 MÉTODO SCS
Para a definição do curve number é necessário levar em
consideração o tipo de solo além do uso e ocupação do mesmo. Foi
considerado o Solo do Tipo B (MENDES, 2013) e também utilizado o
shapefile (Figura 6) disponibilizado pela FATMA para o cálculo do CN
de cada uma das sub-bacias. Além disso foi considerada a condição de
antecedência II de saturação do solo para o cálculo do CN, conforme
Quadro 1. Foi atribuído a cada um dos usos do solo um valor de Curve
Number (CN) correspondente (considerando solo tipo B), o Quadro 2
mostra os valores de CN utilizados neste projeto para os diferentes tipos
de ocupação do solo.
Quadro 1- Condição de antecedência do solo
Condição antecedente Total de precipitação nos 5 dias anteriores
Período seco Período úmido
I Menos de 12.7 Menos de 35.5
II Entre 12.7 e 27.9 Entre 35.5 e 53.3
III Mais de 27.9 Mais 53.3
Fonte: Adaptado de Chow (1988)
43
Figura 6 - Mapa de uso do solo da Bacia Hidrográfica do Rio Cubatão Sul
Quadro 2- Classe de uso do solo e valor do CN correspondente
Classe CN Classe correspondente,
segundo Mays (2005)
Agricultura 81 Row crops (poor)
Área de Mineração 79 Open space, grass cover
less than 50%
Área Urbanizada e/ou
Construída 92
Comercial and business
areas
Floresta em estágio inicial
de regeneração 65 Forested (fair)
Florestas em estágio médio
ou avançado de regeneração 58 Forested (good)
Pastagens e campos naturais 58 Meadow
Reflorestamento 73 Forested (poor)
Solo exposto 79 Open space, grass cover
less than 50%
Fonte: Adaptado de Mays (2005)
44
Para computar o CN de cada sub-bacia foi realizado o cálculo do
CN ponderado de acordo com a área de ocupação de cada um dos usos do
solo, conforme equação 10. A Tabela 4 apresenta o CN ponderado de cada
uma das sub-bacias.
𝐶𝑁𝑝𝑜𝑛𝑑 = 𝐴1∗𝐶1+𝐴2∗𝐶2…𝐴𝑛∗𝐶𝑛
∑ 𝐴𝑖𝑛𝑖=1
(10)
onde An é a área total de determinado uso do solo e Cn é o valor
correspondente do Curve Number.
Tabela 4 - Curve Number ponderado das sub-bacias analisadas
Sub bacia CN
Sub Bacia do Rio do Braço 58,37
Sub Bacia do Rio Cubatão Sul 58,82
Sub bacia do Rio Matias 63,41
Sub bacia do Rio Ribeirão Braço do Sertão 61,70
Após o cálculo do valor de CN para cada uma das sub-bacias, foi
possível calcular a precipitação efetiva seguindo-se a metodologia
proposto pela SCS, conforme equações 01 e 02 (item 2.5).
3.6 HIDROGRAMAS UNITÁRIOS
Uma das metodologias existentes para o cálculo do hidrograma
unitário sintético foi proposta por Snyder (1938), o qual estudou diversas
bacias hidrográficas na região montanhosa dos Apalaches, nos E.U.A. e
propôs uma relação do time lag (tempo decorrido entre o centro de massa
da precipitação), o comprimento do canal principal e o coeficiente de
armazenamento da bacia. As equações fornecem o time lag, a vazão de
pico e a duração total do escoamento, ou seja, a base do hidrograma.
De acordo com Mays (2005) o método desenvolvido por Snyder é
um dos mais utilizados para obtenção do hidrograma unitário sintético. A
Figura 7 ilustra o hidrograma unitário proposto por Snyder.
45
Figura 7 - Hidrograma Unitário Sintético pelo Método de Snyder.
Fonte: Adaptado de CHOW (1964).
A seguir são apresentadas as equações e o procedimento
desenvolvido por Snyder para obtenção do hidrograma:
𝑡𝑝 = 𝐶1. 𝐶𝑡(𝐿. 𝐿𝑐)0,3 (11)
onde C1 = 0,75 e Ct = 1,5, L é o comprimento do rio em
quilômetros e Lc é o comprimento do centro de massa da bacia ao longo
do curso d`água até a seção de interesse em quilômetros e tp é dado em
horas.
𝑡𝑟 = 𝑡𝑝/5,5 (12)
onde tr é dado em horas.
𝑡𝑝𝑅 = 𝑡𝑝 + 0,25(tR – tr) (13)
onde tR é a duração da chuva desejada em horas.
𝑄𝑝𝑅 =𝐶2.𝐶𝑝.𝐴
𝑡𝑝𝑅 (14)
onde C2 = 2,75, Cp = 0,6 e A é a área da bacia em quilômetros quadrados
e Qpr é a vazão de pico em m³/s.
46
𝑊50 =𝐶50
(𝑄𝑝𝑅
𝐴)1.08
(15)
onde C50 = 2,14 e W50 igual a 50% da vazão de pico (Qpr).
𝑊75 =𝐶75
(𝑄𝑝𝑅
𝐴)1.08
(16)
onde C75 = 1.22 e W75 igual a 75% da vazão de pico (Qpr).
O próximo passo é a determinação o tempo de base do hidrograma
referente a uma chuva unitária (1 cm).
𝑇𝑏 = 11,1𝐴
𝑄𝑝𝑅− 1.5𝑊50 − 𝑊75 (17)
onde TB é dado em horas.
Por fim é calculado o tempo de pico.
𝑇𝑃 = 𝑡𝑝𝑅 +𝑡𝑅
2 (18)
onde TP é dado em horas.
3.7 COEFICIENTE DE RUGOSIDADE DE MANNING
O coeficiente de rugosidade de Manning deve ser inserido no
software para que o modelo seja executado. Para tanto, foi feita a pesquisa
bibliográfica sobre os possíveis valores do coeficiente de rugosidade,
conforme apresentado pelo Quadro 3. No entanto, esses valores foram
usados somente como ponto de partida, uma vez que os mesmos foram
ajustados de acordo com a calibração que foi realizada no modelo.
Adotou-se inicialmente o valor de 0,035 para o leito do canal e 0,050 para
as áreas adjacentes ao mesmo.
47
Quadro 3 - Coeficientes de rugosidade de Manning
Ocupação do
Solo
Coeficiente de
rugosidade de
Manning (n)
Tipo de Leito de Escoamento
Leito do canal 0,035 Cursos D'água Naturais, com pedras
e vegetação leve.
Campo/
Culturas 0,050 Arbustos e vegetação pesada.
Urbanizado 0,050
Utilizado o mesmo coeficiente usado
para "Campo", sem considerar a
intervenção de edificações
Mata Leve 0,060 Árvores espaçadas, com formações
vegetais rasteiras.
Mata Fechada 0,080 Abundante, escoamento passando pela
copa das árvores.
Fonte: Adaptado de CHOW (1959)
3.8 SEÇÕES TRANSVERSAIS
Além de dados hidrológicos (hidrogramas de cheia), o HEC-RAS
necessita de dados geométricos das seções de escoamento para que o
modelo seja executado. A geometria das seções foi obtida através da
junção de duas fontes de dados distintas.
Primeiro utilizou-se o software HEC-GeoRas, o qual é uma
extensão do software ArcGis. Foram inseridas neste software os Modelos
Digitais de Terreno (MDT) com resolução de 1x1 metros disponibilizados
pela Secretaria de Desenvolvimento Sustentável (SDS) afim de se obter
um Triangular Irregular Network (TIN). Após a obtenção do mesmo, é
necessário que de defina o canal principal do rio, a seção secundária de
escoamento (banklines), o sentido do escoamento e por fim as seções
transversais. O número de seções transversais e o local das mesmas é
subjetivo e considerado uma desvantagem de modelos 1D (TENG et. al.
2017). Assim, procurou-se avaliar a topografia da área de modelagem
para a alocação das seções transversais. Partindo-se da seção mais a
jusante, procurou-se colocar uma seção sempre que a topografia sofria
uma mudança considerável nas elevações. Após a definição das seções, os dados foram extraídos do ArcGis para o HEC-RAS.
No entanto, o MDT utilizado não traz informações topo
batimétricas do rio, essenciais para uma boa representação da seção de
escoamento. Assim, a segunda etapa de obtenção de dados foi a realização
48
de medições em campo utilizando o Acoustic Doppler Current Profiler
(ADCP), disponibilizado pelo Laboratório de Hidrologia da UFSC. O
equipamento é similar a um sonar que utiliza o efeito Doppler de ondas
sonoras para medir a velocidade e vazão da água, além da seção topo
batimétrica do local. Foi realizada uma ida a campo onde foram medidas
duas seções, uma mais a montante (seção 01) e outra mais a jusante (seção
02). A Figura 8 mostra o momento da realização de uma das medições, e
a Figura 9 mostra o perfil topo batimétrico fornecido pelo ADCP.
Figura 8 - Equipamento (ADCP) sendo atravessado de uma margem a
outra na seção 01 (montante)
49
Figura 9 - Seções fornecidas pelo ADCP
Após a obtenção dos dados em campo foi necessário a junção
destes com as seções já fornecidas pelo HEC-GeoRas. A Figura 10 mostra
a seção 02 (jusante) antes de ser ajustada através da inserção dos dados
de campo e após o ajuste ser realizado.
Figura 10 – A) Seção antes da inserção dos dados de campo. B) Seção
após a inserção dos dados de campo
Para as outras seções do modelo, das quais não foi possível obter a
topo batimetria, procurou-se repetir as geometrias que foram obtidas nas
duas medições. Assim, todas a seções mais de jusante do modelo foram
ajustadas de acordo com a geometria obtida para a seção 02, e as seções
a montante foram ajustadas de acordo com a geometria obtida para seção
01.
3.9 PREMISSAS DO PROJETO
50
Para realização deste projeto, foram adotadas as seguintes
informações:
A chuva foi considerada ocorrendo uniformemente em toda a
área da bacia e com a mesma intensidade, dentro de um intervalo
de tempo;
Considerou-se o tempo total da chuva como o maior tempo de
concentração entre as 4 sub-bacias estudadas;
Foi adotada a condição II de antecedência do solo para o cálculo
do CN;
As seções das quais não se obteve as informações topo
batimétricas de campo, foram arbitradas como sendo iguais as
seções que foram medidas em campo;
Não foram consideradas edificações ou outras estruturas urbanas
ao longo da superfície de escoamento;
Não foram consideradas as pontes existente ao longo do curso
d’água;
Não foram considerados os efeitos da maré a jusante;
Considerou-se inicialmente o coeficiente de rugosidade de
Manning como 0,035 para o leito do rio. Para a seção secundária
de escoamento foi considerado o valor 0,050;
Não foram consideradas as contribuições laterais de vazão na
área de modelagem;
Foi considerada como condição de contorno a montante do
modelo, a vazão média de longo termo da bacia, obtida pelos
dados disponibilizados pela ANA;
Foi considerado como condição de contorno de jusante do
modelo a declividade da linha de energia (friction slope) da qual
foi considerada como sendo igual a declividade do canal;
51
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 BLOCOS ALTERNADOS
Uma vez que a chuva foi considera a mesma em toda a área da
bacia, a precipitação de projeto foi a mesma para todas as sub-bacias
estudadas, conforme mostra a Figura 11. Porém, cada sub-bacia possuí
um valor diferente de CN (Tabela 4) o que resultou em blocos de chuva
efetiva diferentes para cada sub-bacia, as figuras 10 a 13 mostram a chuva
efetiva para cada sub-bacia.
Figura 11 - Precipitação de projeto
Figura 12 - Precipitação efetiva - Sub-bacia do Rio Cubatão Sul
52
Figura 13 - Precipitação efetiva - Sub-bacia do Rio do Braço
Figura 14 - Precipitação efetiva - Sub-bacia do Rio Matias
53
Figura 15 - Precipitação efetiva - Sub-bacia do Rio Ribeirão Braço do
Sertão
4.2 HIDROGRAMAS UNITÁRIOS SINTÉTICOS
Os hidrogramas unitários para cada sub-bacia foram calculados
conforme o procedimento apresentado no item 3.6, a Tabela 5 apresentam
as vazões de pico de cada hidrograma, e as figuras 15 a 18 mostram os
hidrogramas calculados correspondentes a 1cm de chuva.
Tabela 5- Vazões de pico dos hidrogramas unitários
Sub-bacia Vazão de pico (m³/s)
Rio Cubatão Sul 86,68
Rio do Braço 41,74
Rio Matias 34,09
Rio Ribeirão Braço do Sertão 8,44
54
Figura 16 - Hidrograma Unitário - Sub-bacia do Rio Cubatão Sul
Figura 17 - Hidrograma Unitário - Sub-bacia do Rio Braço
55
Figura 18 - Hidrograma Unitário - Sub-bacia do Rio Matias
Figura 19 - Hidrograma Unitário - Sub-bacia do Rio Ribeirão Braço do
Sertão
4.3 HIDROGRAMAS DE CHEIA
Os hidrogramas de cheia foram obtidos para cada uma das sub-
bacias contribuintes ao modelo através da multiplicação dos hidrogramas
unitários pelos blocos de chuva efetiva. Estes hidrogramas foram
inseridos no modelo nos pontos identificados anteriormente na Figura 4.
56
Como esperado, o hidrograma de cheia das sub-bacias do Cubatão Sul e
do Braço apresentaram as maiores vazões, uma vez que são as sub-bacias
com maiores áreas superficiais. As figuras 19 a 22 apresentam os
hidrogramas de cheia para os três períodos de retorno, e a Tabela 6
apresenta as vazões de pico dos hidrogramas.
Figura 20 - Hidrogramas de cheia da Sub-bacia do Rio Cubatão
Figura 21 - Hidrogramas de cheia da Sub-bacia do Rio do Braço
57
Figura 22 - Hidrogramas de cheia da Sub-bacia do Rio Matias
Figura 23 - Hidrogramas de cheia da Sub-bacia do Rio Ribeirão Braço do
Sertão
58
Tabela 6- Vazões de pico dos hidrogramas de cheia
Sub-bacia Vazão de pico (m³/s)
100 anos 50 anos 20 anos
Rio Cubatão Sul 736,92 578,68 414,90
Rio do Braço 388,18 305,52 220,33
Rio Matias 289,18 230,78 168,00
Rio Ribeirão Braço do Sertão 68,18 53,71 38,38
4.4 CALIBRAÇÃO DO MODELO
A calibração do modelo foi feita por meio da simulação de um
escoamento permanente utilizando-se os dados de vazões e das seções
transversais obtidos em campo pelo ADCP. O dispositivo é equipado com
GPS e assim também foi obtida a altura de lâmina d’água no local das
medições. Após a inserção dos dados no HEC-RAS procurou-se calibrar
o modelo através da comparação da altura de lâmina d’água medida em
campo com a altura de lâmina d’água aferida pela modelagem.
A primeira execução da calibração serviu como controle, a
diferença das alturas foi de aproximadamente 2 metros. Assim,
inicialmente procurou-se variar o valor do coeficiente de rugosidade de
Manning dentro do canal principal a fim de calibrar o modelo, sendo o
valor inicial de 0,035. Na segunda execução de calibração, quando o valor
de n foi de 0,04, foi possível coincidir as alturas de lâmina d’água para a
seção 01 (montante), fato que não se repetiu para a seção 02 (jusante). O
valor do coeficiente de rugosidade continuou a ser variado, no entanto,
quando o valor de n ultrapassou 0,050, do qual é esperado para áreas
urbanizadas (CHOW, 1959), a abordagem de calibração foi mudada.
Assim, optou-se por fixar o valor de n em 0,040, pois para a seção
a montante ficaria calibrada, e então variar a cota de fundo das seções a
jusante e montante da seção 02 (montante), consequentemente a
declividade entre as duas seções estava sendo alterada. Esta abordagem
também provou-se ineficaz, uma vez que variação da declividade
provocava uma variação da ordem de centímetros na altura de lâmina
d’água.
Por fim, optou-se por diminuir a área de escoamento das duas
seções seguintes a seção 02 (jusante), esta abordagem resultou finalmente
na coincidência das alturas das lâminas d’água. Salienta-se que a forma
das seções que não foram medidas em campo foi estimada como sendo
igual as obtidas pelo ADCP, porém, mesmo que sejam seções próximas,
59
nada garante essa similaridade. Portanto, a mudança na área de
escoamento das seções pode na verdade representar uma aproximação da
realidade, fato que só poderia ser confirmado com mais medições de
campo. Assim, a falta de seções medidas em campo pode ser considerada
é uma limitação deste trabalho.
Além disso, estruturas presentes ao longo do curso do rio, como
por exemplo pontes, também podem influenciar o escoamento da água
(construção de pontes geralmente causa um estrangulamento da seção do
rio), tais estruturas não foram consideradas neste trabalho.
4.5 MANCHAS DE INUNDAÇÃO
Após a calibração do modelo foi possível realizar a modelagem
hidráulica pelo HEC-RAS. Os hidrogramas de cheia foram inseridos no
programa, além das condições iniciais da modelagem. Foi considerada a
vazão média de longo termo como condição de contorno de montante, e
o para condição de jusante foi inserido o valor da declividade da linha de
energia (friction slope). As figuras 23 a 25 mostram as manchas de
inundação para os três períodos de retorno analisados, e as Figura 27 e
Tabela 7 mostram a comparação das três manchas de inundação.
60
Figura 24 - Mancha de inundação - TR 20 anos
61
Figura 25 - Mancha de inundação - TR 50 anos
62
Figura 26 - Mancha de inundação - TR 100 anos
63
Figura 27 - Manchas de inundação sobrepostas1
1 Uma vez que as manchas estão sobrepostas, a parte em azul é menor entre as três, seguindo-se pela vermelha e finalmente pela
amarela (maior das três).
64
Tabela 7 – Total das áreas alagadas
Tempo de Retorno (anos) Área inundada (km²) Altura máxima da
água no canal (m)
100 10,61 11,86
50 8,58 11,35
20 6,07 10,56
65
5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
Este trabalho teve como objetivo a obtenção das áreas suscetíveis
à inundação na bacia hidrográfica do Rio Cubatão Sul, para tanto, optou-
se por realizar a modelagem 1D, da qual foi realizada pelo software HEC-
RAS. A metodologia provou ser suficiente para o alcance dos objetivos,
uma vez que as manchas de inundação foram obtidas para a área de
modelagem.
Os hidrogramas de cheia foram obtidos através de metodologias
muito conhecidas e utilizadas por hidrólogos. Utilizou-se o hidrograma
unitário sintético de Snyder (1938) e a metodologia proposto pela SCS
(1972) para o cálculo das abstrações, e consequentemente, obtenção da
chuva efetiva. Uma das etapas de obtenção da chuva efetiva foi o cálculo
do tempo de concentração das sub-bacias, do qual foi calculado pela
fórmula de Kirpich (1940). Porém, existem inúmeras equações para o
cálculo de TC, e estudos sobre o desempenho de tais equações (exemplo,
SIVEIRA et. al. 2005, MOTA, 2012) mostram que cada equação fornece
um valor diferente para uma mesma bacia.
As cotas máximas atingidas pela altura da lâmina d’água foram
obtidas através da execução da modelagem hidráulica. A preparação do
modelo consistiu basicamente de duas etapas. A primeira foi a criação da
área de modelagem e suas seções de escoamento. Para tanto, utilizou-se
os modelos digitais de terreno com resolução 1x1 metros e também
medições feitas em campo. No entanto, foram medidos apenas dois
pontos ao longo da área de modelagem, e que resultou na estimação da
maioria das seções transversais do projeto.
A segunda etapa foi a calibração do modelo, a qual consistiu em
igualar os valores da altura de lâmina d’água obtidos em campo aos
obtidos na simulação do programa. Além da seção topo batimétrica e
altura da lâmina d’água do local, o ADCP também forneceu a vazão no
momento da medição, tal vazão foi inserida do programa para que a
calibração fosse feita. Esta etapa provou-se complicada, pois a calibração
do modelo foi realizada somente com a mudança na área de escoamento
das seções a jusante da seção 02 (jusante) medida em campo. Mesmo que
inicialmente estas seções tenham sidos estimadas, a mudança realizada
provavelmente não representa a realidade.
Por fim, foi realizada a modelagem 1D para a obtenção das áreas
suscetíveis as inundações. A modelagem 1D possuí vantagens, (baixo
custo computacional por exemplo), no entanto, a subjetividade quanto a
localização e quantidade de seções e o fato de este tipo de modelo
considerar que a água escoa somente em uma direção, podem ser
66
consideradas limitações da mesma. Além disso, não foram consideradas
as pontes existentes além de outras estruturas ao longo do curso d’água,
fatores que provavelmente influenciariam nos resultados obtidos.
Para próximos trabalhos, recomenda-se que se faça uma boa
avaliação na hora de decidir qual equação utilizar para o cálculo do tempo
de concentração. Além disso, o cálculo do Curve Number (CN) da bacia
baseia-se no uso do solo do local, porém, o uso do solo varia segundo a
ação humana, assim, uma boa representação do uso do solo da bacia
hidrográfica de estudo também é importante para que a estimação das
perdas por infiltração seja feita corretamente.
Também recomenda-se a medição de mais seções em campo a fim
de aproximar o modelo da realidade, além disso, a inserção as pontes e
outras estruturas existentes ao longo do curso d’água também é
recomendável, visto que, de maneira geral, tais estruturas alteram a seção
de escoamento de um rio, de maneira a diminuir a área de escoamento no
local de sua construção. A medição de mais seções topo batimétricas e a
inserção de estruturas no modelo podem facilitar a calibração e torna-la
mais precisa, uma vez que o modelo ficaria mais próximo da realidade.
Ademais, medições de campo utilizando-se outros métodos (por exemplo,
régua linimétrica) também são recomendadas a fim de conferir se os
dados obtidos por um método se igualam com o outro.
Por fim, para próximos trabalhos também recomenda-se avaliar
qual tipo de modelo computacional utilizar, modelos 2D ou 1D/2D
(junção de ambos) podem ser mais recomendáveis para uma melhor
representação do escoamento. Teng et. al. (2017) apresentou uma revisão
dos métodos atuais para determinação de áreas inundáveis,
recomendando o uso de cada tipo de método segundo vantagens,
desvantagens e qual ao tipo de análise se quer fazer.
67
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANA. Hidroweb Sistema de Informações Hidrológicas Estação Poço
Fundo. Disponível em:
http://hidroweb.ana.gov.br/Estacao.asp?Codigo=84100000. Acesso:
Novembro, 2016.
ANA. Hidroweb Sistema de Informações Hidrológicas Estação ETA
CASAN. Disponível em:
http://hidroweb.ana.gov.br/Estacao.asp?Codigo=84150100. Acesso:
Novembro, 2016.
CHOW, Ven Te. Open-Channel Hydraulics. Reimpressão da edição de
1959. Caldwell, NJ. 1959.
CHOW, Ven Te. Handbook of Applied Hydrology. 1ª edição. USA.
McGraw-Hill Book Co. 1964.
Chow V.T., Maidement D.R, Mays L.W. Applied Hydrology. McGraw-
Hill, New York. 1988.
COUTINHO, Marlon Marque. AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DA
MODELAGEM HIDRÁULICA UNIDIMENSIONAL E
BIDIMENSIONAL NA SIMULAÇÃO DE EVENTOS DE INUNDAÇÃO EM COLATINA/ES. 2015. 245 f. Dissertação
(Mestrado) - Curso de Pós-graduação em Saneamento, Meio Ambiente e
Recursos Hídricos, Universidade Federal de Minas Gerais, Belo
Horizonte, 2015.
DINGMAN, S. Lawrence. Physical Hydrology. 2. ed. Upper Saddle
River: Prentice Hall, 2002. 646p.
EM-DAT. The OFDA/CRED International Disaster Database.
Disponível em: <http://www.emdat.be/advanced_search/index.html>.
Acesso em: 24 abr. 2017.
FERNANDES, W.; NAGHETTINI, M.; LOSCHI, R.; Método para a
Estimação de Quantidades de Enchentes Extremas com o Emprego
Conjunto de Análise Bayesiana de Informações não Sistemáticas e de
Distribuições Limitadas Superiormente – Parte 1: Desenvolvimento
68
Teórico. Porto Alegre, RS. RBRH – Revista Brasileira de Recursos
Hídricos v. 18, n 2, p.115-125, Abr/Jun 2013.
HORRITT, M. S.; BATES, P. D.. Evaluation of 1D and 2D numerical
models for predicting river flood inundation. Journal of Hydrology,
[s.l.], v. 268, n. 1-4, p.87-99, nov. 2002. Elsevier BV.
http://dx.doi.org/10.1016/s0022-1694(02)00121-x.
KIRPICH, T.P. Time of Concentration of Small Agricultural
Watersheds. J. of Civ. Eng., v.10, n.6, p. 362, 1940.
KOBIYAMA, M; CHECCHIA, T; SILVA, R. V; SCHRÖDER, P. H;
GRANDO, A. REGINATTO, G. M. P. Papel da comunidade e da
universidade no gerenciamento de desastres naturais. In: Simpósio
Brasileiro de Desastres Naturais, 1, Florianópolis. Anais. Florianópolis:
GEDN/UFSC, 2004b. p. 834-846, 2004
KOBIYAMA, M.; MENDONÇA, M.; MORENO, D.A.; MARCELINO,
I.P.V.O.; MARCELINO, E.V.; GONÇALVES, E.F.; BRAZETTI,
L.L.P.; GOERL, R.F.; MOLLERI, G.; RUDORFF, F. Prevenção de
desastres naturais: Conceitos básicos. Curitiba: Organic Trading. 109 p.,
2006.
MAYS, LARRY W. Water Resources Engineering, 2005 Edition, John
Wiley & Sons, Inc, 2005.
MENDES, Daniel Etchegaray. ESTUDO DA VARIAÇÃO DA ONDA
DE CHEIA NA BACIA DO RIO CUBATÃO DO SUL POR MEIO
DE MODELO NUMÉRICO HEC-RAS. 2013. 119 f. TCC (Graduação)
- Curso de Engenharia Sanitária e Ambiental, Universidade Federal de
Santa Catarina, Florianópolis, 2013.
MIC - MINISTÉRIO DAS CIDADES / INSTITUTO DE PESQUISAS
TECNOLÓGICAS – IPT – Mapeamento de riscos em encostas e
margens de rios. Brasília: Ministério das Cidades; Instituto de Pesquisas
Tecnológicas – IPT, 2007. 176 p.
MOMO, Marcos et al. Desempenho do modelo HAND no mapeamento
de áreas suscetíveis à inundação usando dados de alta resolução espacial.
Revista Brasileira de Recursos Hídricos, [s.l.], v. 21, n. 1, p.200-208,
69
25 fev. 2016. Associacao Brasileira de Recursos Hidricos - ABRH.
http://dx.doi.org/10.21168/rbrh.v21n1.p200-208.
MONTE, Benício et al. Hydrological and hydraulic modelling applied to
the mapping of flood-prone areas. Revista Brasileira de Recursos
Hídricos, [s.l.], v. 21, n. 1, p.152-167, 25 fev. 2016. Associacao Brasileira
de Recursos Hidricos - ABRH.
http://dx.doi.org/10.21168/rbrh.v21n1.p152-167.
MOTA, Aline de Almeida. Tempo de Concentração em pequena bacia
experimental. 2012. 131 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Pós
Graduação em Engenharia Ambiental, Departamento de Engenharia
Sanitária e Ambiental, Universidade Federal de Santa Catarina,
Florianópolis, 2012.
NERILO, N; MEDEIROS, P. A; CORDERO, A. Chuvas Intensas no
Estado de Santa Catarina. 1ª edição. Florianópolis, SC. Editora da
UFSC. 2002.
RIBEIRO NETO, Alfredo; BATISTA, Larissa Ferreira David Romão;
COUTINHO, Roberto Quental. Methodologies for generation of hazard
indicator maps and flood prone areas: municipality of Ipojuca/PE.
Revista Brasileira de Recursos Hídricos, Porto Alegre, v. 21, n. 2,
p.377-390, abr. 2016.
PINTO, Nelson L. de Sousa et al. Hidrologia Básica. São Paulo: Edgard
Blucher Ltda, 1976. 278 p.
RIGHETTO, A. M. Hidrologia e Recursos Hídricos. 1ª edição. São
Carlos, SP. EESC-USP. 1998.
SANTOS, I; FILL, H. D. et al. Hidrometria Aplicada. 1ª edição.
Curitiba, PR. 2001.
SÃO PAULO. Instituto Geológico. Secretaria do Meio Ambiente
Governo do Estado de São Paulo. Desastres Naturais: conhecer para
prevenir. São Paulo: 2009. 196 p.
SÃO PAULO. Secretaria Municipal de Desenvolvimento Urbano.
Prefeitura de São Paulo. Manual de Drenagem e Manejo de Águas
Pluviais. São Paulo: N, 2012.
70
SAVAGE, J., BATES, P., FREER, J., NEAL, J., AND ARONICA, G.,
2014. The impact of Scale on Probabilistic Flood Inundation Maps Using
a 2D Hydraulic Model with Uncertain Boundary Conditions. In:
Proceedings of the Second International Conference on Vulnerability,
Uncertainty and Risk Analysis and Management (ICVRAM), July 13-16,
2014 Liverpool. Liverpool: American Society of Civil Engineers, 279-
289
SILVEIRA, A. L. L. Desempenho de Fórmulas de Tempo de
Concentração em Bacias Urbanas e Rurais. Porto Alegre, RS. RBRH
- Revista Brasileira de Recursos Hídricos Volume 10 n.1 Jan/Mar 2005.
SHERMAN, I. K., 1932. Streamflow from rainfall by the unit
hydrograph method. Eng. News Record, 106: 501505.
SNYDER, F. F. Synthetic unit-graphs. Eos, Transactions American
Geophysical Union, v. 19, n. 1, p. 447-454, 1938.
TENG, Jin et al. Flood inundation modelling: A review of methods, recent
advances and uncertainty analysis. Elsevier, N, v. 90, n. 0, p.201-216,
abr. 2017.
TUCCI, Carlos E. M. Gestão de Águas Pluviais Urbanas. Porto Alegre:
2005. 270 p.
UNITED STATES. Soil Conservation Service (SCS). Department Of
Agriculture. Section 4. Hydrology. Washington, Dc: N, 1972
USACE (US Army Corps of Engineers). HEC-RAS. Hydrologic
Engineering Center´s – River Analysis System. User´s Manual. Davis-
CA, US. 2010.
USACE (US Army Corps of Engineers). HEC-RAS River Analysis
System: Hydraulic Reference Manual. 5. ed. Davis, Ca: 2016. 446 p.
