UFSM Dissertação de Mestrado SIMULAÇÃO HIDRODINÂMICA INTEGRADA DE SISTEMA DE DRENAGEM EM SANTA MARIA-RS Adalberto Meller PPGEC Santa Maria, RS, Brasil 2004
UFSM
Dissertao de Mestrado
SIMULAO HIDRODINMICA INTEGRADA DE SISTEMA DE DRENAGEM EM SANTA MARIA-RS
Adalberto Meller
PPGEC
Santa Maria, RS, Brasil
2004
SIMULAO HIDRODINMICA INTEGRADA DE
SISTEMA DE DRENAGEM EM SANTA MARIA-RS
por Adalberto Meller
Dissertao apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil, rea de Concentrao
em Recursos Hdricos e Saneamento Ambiental, da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM, RS), como
requisito parcial para obteno do grau de Mestre em Engenharia Civil.
PPGEC
Santa Maria, RS, Brasil
2004
iii
Universidade Federal de Santa Maria Centro de Tecnologia
Curso de Ps-Graduao em Engenharia Civil
A Comisso Examinadora, abaixo assinada,
aprova a Dissertao de Mestrado
SIMULAO HIDRODINMICA INTEGRADA DE SISTEMA DE DRENAGEM EM SANTA MARIA-RS
elaborada por
Adalberto Meller
Como requisito parcial para obteno do grau de Mestre em Engenharia Civil
COMISSO EXAMINADORA:
________________________________ Prof. Dr. Eloiza Maria Cauduro Dias de Paiva
(Presidente/Orientador)
________________________________ Prof. Ph.D. Carlos Eduardo Morelli Tucci
________________________________ Prof. Dr. Joo Batista Dias de Paiva
Santa Maria, 22 de Abril de 2004.
iv
The computer is incredibly
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stupid. Man is very
unbelievably slow,
inaccurate and brilliant.
The marriage of the two
is a challenge and
opportunity beyond
imagination.
(autor annimo)
v
AGRADECIMENTOS
A Deus ...
A minha famlia pelo apoio, carinho e incentivo;
A Prof. Eloiza Maria Cauduro Dias de Paiva pela oportunidade,
orientao e amizade;
A minha namorada Mrcia Payeras e ao grande amigo e colega Mrcio
Ferreira Paz pela amizade, companheirismo e pacincia;
Ao Prof. Joo Batista Dias de Paiva pela co-orientao;
Aos funcionrios Alcides Sartori e Astrio do Carmo e aos bolsistas de
iniciao cientfica Rodrigo Paiva, Talita Uzeika, Augusto Pradella, Juliano
Dalla Favera e Douglas Stival pelo auxlio nos ensaios de laboratrio e
medies em campo;
Aos moradores do Parque Residencial Alto da Colina pelas informaes;
Ao DHI Water & Environment na figura das pessoas Alejandro Ernesto
Lasarte, Ole Mark, Gunvor Tychsen e Henriette Tamasauskas pela
ateno s dvidas sobre o aplicativo e pela liberao para utilizao do
aplicativo MOUSE;
Ao Fundo Nacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico
FNDCT/CT-HIDRO atravs do projeto CTHidro/GURH: FINEP03/2002 e
ao CNPq (edital Universal 01/2001) pelos recursos financeiros;
Ao Prof. Rinaldo Pinheiro pela orientao nos ensaios de granulometria;
Aos amigos Gilson Tadeu Piovezan, Janana Rios Dias e Raquel
Maldaner Paranhos pela amizade e auxlio especialmente na etapa de
concluso das disciplinas;
A CAPES pela bolsa de estudo.
vi
SUMRIO
LISTA DE TABELAS................................................................................ ix LISTA DE FIGURAS ................................................................................ xi LISTA DE SIGLAS, ABREVIATURAS E SMBOLOS ........................... xvi RESUMO ................................................................................................. xx ABSTRACT ............................................................................................ xxi 1. INTRODUO....................................................................................... 1 1.1. Objetivos e justificativa ....................................................................... 3
2. REVISO DE LITERATURA................................................................. 4 2.1. Introduo........................................................................................... 4
2.2. Classificao dos modelos de drenagem urbana ............................... 4
2.3. O ciclo hidrolgico urbano e a estrutura de um modelo de drenagem
urbana........................................................................................................ 5
2.3.1. O escoamento na rede de drenagem pluvial ................................... 7
2.4. Equaes fundamentais do escoamento no-permanente................. 8
2.5. Classificao dos modelos de propagao do escoamento ............... 9
2.6. Fundamentos tericos dos modelos hidrodinmicos completos ....... 10
2.6.1. Mtodos de soluo....................................................................... 11
2.7. Evoluo dos modelos hidrodinmicos de redes de
drenagem pluviais.................................................................................... 13
2.7.1. Conceito de drenagem integrada (Dual Drainage) aplicado aos
modelos de drenagem urbana ................................................................. 16
2.8. Modelos e aplicativos para simulao de drenagem urbana ............ 18
2.8.1. Modelos simplificados de verificao............................................. 18
2.8.2. Modelos completos de verificao ................................................. 18
2.8.3. Aplicativos...................................................................................... 19
2.8.3.1. SWMM ........................................................................................ 19
2.8.3.2. InfoWorks CS v.4.0 ..................................................................... 23
2.8.3.3. SOBEK-Urban v.2.8.................................................................... 25
2.8.3.4. MOUSE v.2003 ........................................................................... 26
vii
2.8.3.4.a. Algumas aplicaes do MOUSE .............................................. 28
2.9. Consideraes finais......................................................................... 30
3. MONITORAMENTO DA BACIA HIDROGRFICA ALTO DA COLINA............................................................................................. 32 3.1. Introduo......................................................................................... 32
3.2. Descrio geral da rea em estudo .................................................. 32
3.2.1. Localizao geogrfica .................................................................. 32
3.2.2. Caracterizao do problema.......................................................... 33
3.3. Caractersticas fsicas....................................................................... 34
3.4. Clima e solos .................................................................................... 35
3.5. Tipologias de uso e ocupao do solo.............................................. 36
3.6. O processo de urbanizao na bacia................................................ 38
3.7. Monitoramento hidrolgico................................................................ 39
3.7.1. Dados fluviomtricos...................................................................... 39
3.7.1.A. Curva-chave cota-vazo............................................................. 42
3.7.2. Dados de precipitao ................................................................... 46
3.7.2.1. Hietogramas de projeto............................................................... 47
3.8. Ensaios de infiltrao........................................................................ 51
3.9. Ensaios granulomtricos................................................................... 53
3.10. Caractersticas do sistema de drenagem........................................ 55
3.10.1. Rede de condutos........................................................................ 57
3.10.2. Ruas............................................................................................. 58
3.10.3. Bocas-de-lobo.............................................................................. 60
3.10.4. Poos de visita............................................................................. 60
3.10.5. Canais abertos............................................................................. 62
3.10.6. Bacia de deteno ....................................................................... 62
3.10.7. Nveis de inundao nas ruas...................................................... 63
4. SIMULAO DO SISTEMA DE DRENAGEM .................................... 65 4.1. Introduo......................................................................................... 65
4.2. Modelos utilizados ............................................................................ 65
4.3. Concepo do sistema de drenagem da bacia Alto da Colina.......... 82
viii
4.4. Anlise de sensibilidade ................................................................... 88
4.5. Calibrao dos parmetros do aplicativo .......................................... 89
4.5.1. Calibrao do modelo hidrolgico C2 ............................................ 91
4.5.2. Calibrao do modelo hidrolgico A .............................................. 93
4.5.3. Calibrao do modelo MOUSE HD (hidrodinmico) ...................... 94
4.6. Avaliao do sistema de drenagem e mapeamento de
reas de risco ........................................................................................ 94
4.7. Avaliao de alternativas no controle das cheias ............................. 96
4.8. Comparao entre metodologias para simulao de inundaes na
rede de drenagem.................................................................................... 97
5. RESULTADOS E DISCUSSO DA APLICAO DO MODELO ..... 100 5.1. Anlise de sensibilidade ................................................................. 100
5.1.1. Modelo C2 (reservatrio linear em cascata) ................................ 100
5.1.2. Modelos A (tempo-rea) e MOUSE HD (hidrodinmico).............. 102
5.2. Calibrao dos parmetros ............................................................. 105
5.2.1. Calibrao na rea rural............................................................... 105
5.2.2. Calibrao na rea urbana........................................................... 117
5.3. Avaliao do sistema de drenagem ................................................ 125
5.4. Simulao de alternativas no controle das cheias .......................... 132
5.5. Comparao entre metodologias para simulao de inundaes na
rede de drenagem.................................................................................. 135
6. CONCLUSES E RECOMENDAES............................................ 138 7. BIBLIOGRAFIA ................................................................................. 143 ANEXOS................................................................................................ 152
ix
LISTA DE TABELAS TABELA 1. Resumo das capacidades dos principais aplicativos utilizados
atualmente ............................................................................................... 31
TABELA 2. Resultado da classificao do uso do solo na bacia ............. 37
TABELA 3. Caractersticas fsicas das reas de contribuio
monitoradas ............................................................................................. 41
TABELA 4. Resultados dos ensaios de infiltrao ................................... 53
TABELA 5. Resultados dos ensaios de granulometria ............................ 54
TABELA 6. Caractersticas dos trechos de canais utilizados na
simulao................................................................................................. 62
TABELA 7. Nvel mximo observado nas ruas sujeitas a alagamento .... 64
TABELA 8. Nvel mximo observado na Rua 8 em dois eventos
simulados................................................................................................. 64
TABELA 9. Relao entre a profundidade relativa e a largura da fenda. 71
TABELA 10. Resumo das estruturas utilizadas na criao do modelo do
sistema de drenagem .............................................................................. 86
TABELA 11. Resultados do processo de calibrao para a rea rural da
bacia ...................................................................................................... 111
TABELA 12. Conjuntos de parmetros determinados pela calibrao .. 114
TABELA 13. Resultados da verificao dos conjuntos de parmetros .. 115
TABELA 14. Verificao do conjunto 2 de parmetros para os eventos
observados na estao ACII .................................................................. 116
TABELA 15. Resultado da calibrao na rea urbana........................... 122
TABELA 16. Comparao nos nveis observados e simulados
na Rua 8 ................................................................................................ 124
TABELA 17. Caractersticas dos poos de visita e reas de
contribuio............................................................................................ 155
TABELA 18. Caractersticas da rede de condutos................................. 157
TABELA 19. Oramento simplificado das medidas de controle do
escoamento adotadas............................................................................ 159
x
TABELA 20. Resultado do redimensionamento para cenrio atual ....... 160
TABELA 21. Resultado do redimensionamento para cenrio futuro...... 162
xi
LISTA DE FIGURAS FIGURA 1. Processos em um sistema de drenagem ................................ 6
FIGURA 2. Conceito de drenagem integrada (Dual drainage)................. 17
FIGURA 3. Relao entre os mdulos estruturais do SWMM ................. 20
FIGURA 4. Localizao da bacia hidrogrfica Alto da Colina .................. 32
FIGURA 5. Localizao da urbanizao na bacia.................................... 33
FIGURA 6. Principais locais de inundao na bacia................................ 34
FIGURA 7. Mapa plani-altimtrico da bacia Alto da Colina...................... 35
FIGURA 8. Mapa do uso do solo na bacia para os anos de
1999 e 2003............................................................................................. 38
FIGURA 9. Evoluo do processo de urbanizao na bacia ................... 39
FIGURA 10. Localizao das estaes de monitoramento na bacia ....... 40
FIGURA 11. Estaes fluviogrficas de monitoramento .......................... 41
FIGURA 12. Vazes e cotas mdias e mximas dirias observadas na
estao fluviogrfica ACI ......................................................................... 42
FIGURA 13. Curva-chave da estao ACI............................................... 44
FIGURA 14. Comparao entre metodologias de extrapolao da curva-
chave para a estao ACI........................................................................ 45
FIGURA 15. Estao pluviogrfica Vila Maria ......................................... 46
FIGURA 16. Precipitao diria na estao pluviogrfica Vila Maria
observada no perodo da pesquisa.......................................................... 47
FIGURA 17. Fatores que caracterizam a distribuio temporal de
Keifer e Chu............................................................................................. 48
FIGURA 18. Hietogramas de projeto utilizados para avaliao da rede de
drenagem................................................................................................. 50
FIGURA 19. Hietogramas de projeto utilizados no dimensionamento e
simulao do reservatrio de deteno ................................................... 50
FIGURA 20. Localizao dos ensaios de infiltrao na bacia.................. 52
FIGURA 21. Cadastramento dos elementos do sistema de
microdrenagem........................................................................................ 56
xii
FIGURA 22. Mapa de localizao das estruturas do sistema de
microdrenagem........................................................................................ 57
FIGURA 23. Disposio geral dos elementos da microdrenagem........... 58
FIGURA 24. Seo transversal padro das ruas do Parque Residencial
Alto da Colina........................................................................................... 59
FIGURA 25. Boca-de-lobo padro presente no sistema.......................... 60
FIGURA 26. Detalhe de um dos poos de visita na regio do Parque
Residencial Alto da Colina ....................................................................... 61
FIGURA 27. Esquema da bacia de deteno utilizado na modelagem ... 63
FIGURA 28. Esquema de funcionamento do modelo C2......................... 66
FIGURA 29. Curvas tempo-rea predefinidas ......................................... 68
FIGURA 30. Reduo gradual dos termos da equao do momento
durante a transio para o regime supercrtico........................................ 70
FIGURA 31. Conduto com uma fenda fictcia .......................................... 70
FIGURA 32. Trecho da rede na malha computacional ............................ 72
FIGURA 33. Esquema de Abbott aplicado equao da continuidade... 73
FIGURA 34. Aplicao do esquema de Abbott equao do momento . 74
FIGURA 35. Matriz de coeficentes dos condutos, derivada das equaes
da continuidade, do momento e da energia nos ns ............................... 76
FIGURA 36. Matriz dos coeficientes aps aplicao da eliminao local 76
FIGURA 37. Exemplos de topologia para o clculo das perdas
relacionadas mudana de direo ........................................................ 78
FIGURA 38. Esquema da perda de carga devido diferena de cota .... 79
FIGURA 39. Estruturas representadas na modelagem e suas
interaes ................................................................................................ 86
FIGURA 40. Layout final do sistema de drenagem em estudo ................ 87
FIGURA 41. Trecho de rede construdo para anlise .............................. 89
FIGURA 42. Esquema utilizado na simulao dos eventos extremos ..... 92
FIGURA 43. Esquema do reservatrio de deteno proposto para controle
do escoamento na rea rural da bacia..................................................... 98
FIGURA 44. Curva cota-volume do reservatrio dimensionado .............. 98
xiii
FIGURA 45. Influncia da modificao dos parmetros no volume
escoado ................................................................................................. 100
FIGURA 46. Influncia da modificao dos parmetros na
vazo de pico......................................................................................... 101
FIGURA 47. Influncia da variao do Tlag no tempo de pico................ 101
FIGURA 48. Influncia da modificao dos parmetros no volume
escoado ................................................................................................. 102
FIGURA 49. Influncia da modificao dos parmetros na vazo
de pico ................................................................................................... 103
FIGURA 50. Influncia da variao do TC no tempo de pico ................. 103
FIGURA 51. Variao no nvel dos condutos com n............................. 104
FIGURA 52. Variao no nvel dos poos de visita com Km .................. 104
FIGURA 53. Calibrao do modelo C2 Data: 05/06/2001................... 105
FIGURA 54. Calibrao do modelo C2 Data: 24/06/2001................... 105
FIGURA 55. Calibrao do modelo C2 Data: 04/07/2001................... 106
FIGURA 56. Calibrao do modelo C2 Data: 09/07/2001................... 106
FIGURA 57. Calibrao do modelo C2 Data: 17/07/2001................... 106
FIGURA 58. Calibrao do modelo C2 Data: 17/08/2001................... 107
FIGURA 59. Calibrao do modelo C2 Data: 13/09/2001................... 107
FIGURA 60. Calibrao do modelo C2 Data: 30/09/2001................... 107
FIGURA 61. Calibrao do modelo C2 Data: 15/10/2001................... 108
FIGURA 62. Calibrao do modelo C2 Data: 16/10/2001................... 108
FIGURA 63. Calibrao do modelo C2 Data: 13/11/2001................... 108
FIGURA 64. Calibrao do modelo C2 Data: 31/01/2002................... 109
FIGURA 65. Calibrao do modelo C2 Data: 20/02/2002................... 109
FIGURA 66. Calibrao do modelo C2 Data: 06/03/2002................... 109
FIGURA 67. Calibrao do modelo C2 Data: 11/03/2002................... 110
FIGURA 68. Calibrao do modelo C2 Data: 25/03/2002................... 110
FIGURA 69. Perdas iniciais em funo do Nmero de dias antecedentes
sem chuva ............................................................................................. 112
xiv
FIGURA 70. Tlag em funo do nmero de dias
antecedentes sem chuva ....................................................................... 112
FIGURA 71. Vazo de pico em funo do Tlag....................................... 113
FIGURA 72. Ib em funo da Intensidade mdia da precipitao ......... 114
FIGURA 73. Resultado da simulao da vazo de pico e volume escoado
com parmetros mdios em funo dos valores observados ................ 115
FIGURA 74. Calibrao da rea urbana da bacia Data: 05/06/01 ...... 117
FIGURA 75. Calibrao da rea urbana da bacia Data: 04/07/01 ...... 118
FIGURA 76. Calibrao da rea urbana da bacia Data: 19/07/01 ...... 118
FIGURA 77. Calibrao da rea urbana da bacia Data: 17/08/01 ...... 118
FIGURA 78. Calibrao da rea urbana da bacia Data: 13/11/01 ...... 119
FIGURA 79. Calibrao da rea urbana da bacia Data: 31/01/02 ...... 119
FIGURA 80. Calibrao da rea urbana da bacia Data: 20/02/02 ...... 119
FIGURA 81. Calibrao da rea urbana da bacia Data: 11/03/02 ...... 120
FIGURA 82. Calibrao da rea urbana da bacia Data: 25/03/02 ...... 120
FIGURA 83. Calibrao da rea urbana da bacia Data: 19/09/02 ...... 120
FIGURA 84. Calibrao da rea urbana da bacia Data: 23/02/03 ...... 121
FIGURA 85. Calibrao da rea urbana da bacia Data: 10/03/03 ...... 121
FIGURA 86. Calibrao da rea urbana da bacia Data: 16/03/03 ...... 121
FIGURA 87. Mapa de inundao para o evento do dia 19/09/02 .......... 123
FIGURA 88. Mapa de inundao para o evento do dia 10/03/03 .......... 123
FIGURA 89. Perdas iniciais em funo do nmero de dias antecedentes
sem chuva ............................................................................................. 124
FIGURA 90. Hidrogramas de cheias simulados na rea urbana ........... 126
FIGURA 91. Mapa de inundao nas ruas para TR= 2 anos................. 126
FIGURA 92. Mapa de inundao nas ruas para TR= 15 anos............... 127
FIGURA 93. Mapa de inundao nas ruas para TR= 50 anos............... 127
FIGURA 94. Mapa de inundao nas ruas para TR= 100 anos............. 127
FIGURA 95. Mapeamento de ruas com maior risco de inundaes ...... 128
FIGURA 96. Fotos das ruas sujeitas a alagamentos durante eventos de
cheia ...................................................................................................... 129
xv
FIGURA 97. Inundao dos poos de visita para TR=2 anos................ 130
FIGURA 98. Perfil longitudinal do trecho crtico (Rua 01)...................... 130
FIGURA 99. Inundao dos poos de visita para TR=50 anos.............. 131
FIGURA 100. Resultado da avaliao do risco potencial aos pedestres
nos locais sujeitos a inundaes............................................................ 132
FIGURA 101. Hidrogramas simulados na estao ACI nos cenrios atual,
atual com controle e futuro com controle ............................................... 133
FIGURA 102. Simulao da operao da bacia de deteno................ 134
FIGURA 103. Perfil longitudinal do trecho crtico aps o
redimensionamento para TR=2 anos no cenrio atual com controle.... 135
FIGURA 104. Comparao entre as metodologias tradicional usada no
aplicativo MOUSE e utilizando o conceito de drenagem integrada
(TR=100 anos)....................................................................................... 136
xvi
LISTA DE SIGLAS, ABREVIATURAS E SMBOLOS a celeridade da onda (m/s)
a constante da relao i-d-f
A rea molhada (m2)
Aj ordenada da curva tempo-rea no tempo j
Am rea molhada da seo transversal do poo de visita (m2)
A0 rea do conduto cheio (m2)
A0,j rea da superfcie entre os pontos do j-1 e j da malha
A0,j+1 rea da superfcie entre os pontos j e j+1 da malha
b constante da relao i-d-f
bS largura de armazenamento (m)
Bfenda largura da fenda de Preissmann (m)
C coeficiente varivel do mtodo de extrapolao de Stevens
CD coeficiente de descarga
Cr nmero de Courant
dt intervalo de tempo computacional
dx distncia entre dois pontos computacionais na malha (m)
D dimetro do conduto (m)
Di dimetro do conduto que chega ao n (m)
Dj dimetro do conduto que deixa o n (m)
f o fator de atrito
FR fator de reduo
Fr nmero de Froude
g acelerao da gravidade (m/s2)
h profundidade (m)
H1,H2 nveis da gua em pontos computacionais a montante e
jusante
in chuva efetiva
ia intensidade da chuva depois do pico (mm/h)
ib intensidade da chuva antes do pico (mm/h)
xvii
im intensidade mdia obtida da relao i-d-f (mm/h)
I0 capacidade mxima de infiltrao do modelo de Horton
(mm/h)
I0 declividade do leito (m/m)
Ib capacidade mnima de infiltrao do modelo de Horton
(mm/h)
If declividade da linha de atrito (m/m)
IL perdas iniciais (m)
IMP porcentagem de reas impermeveis (%)
J declividade da linha de carga (m/m) no mtodo de Stevens
K constante de decaimento do modelo de Horton (h-1)
K constante de tempo no modelo reservatrio linear (minutos)
Km coeficiente de perda de carga relacionado a geometria da
sada do n
l comprimento do conduto (m)
L largura da soleira (m)
M inverso do nmero de Manning (1/n)
n constante da relao i-d-f
n nmero de clulas da bacia no modelo A
N nmero de pontos Q-h na malha em um conduto
P chuva total (mm)
PV poo de visita
Q vazo ou descarga (m3/s)
Qe vazo de engolimento (m3/s)
Qn ordenada do hidrograma no intervalo de tempo n
Qo vazo observada (m3/s)
Qs vazo simulada (m3/s)
Q1(t) vazo amortecida pelo primeiro reservatrio no modelo C2
Q2(t) vazo correspondente s ordenadas do hidrograma de
escoamento superficial da bacia
Rh raio hidrulico (m)
xviii
Ri precipitao efetiva no intervalo de tempo i
S1(t) e S2(t) volume armazenado no instante t nos reservatrios do
modelo C2
t tempo (s) ta tempo depois do pico (minutos)
tb tempo anterior ao pico (minutos)
tc tempo de concentrao (minutos)
tc tempo de concentrao (minutos)
Tc tempo de concentrao (minutos) td tempo de durao da chuva (minutos)
Tlag constante de tempo do modelo reservatrio linear (minutos)
TR perodo de retorno (anos)
v velocidade mdia do escoamento (m/s)
V velocidade do escoamento (m/s)
x distncia na direo do escoamento (m)
x,y coordenadas (m)
y altura da gua prximo a guia (m)
Z varivel generalizada do escoamento, substituindo Q e h
Zi cota do conduto que chega ao n (m)
Zj cota do conduto que deixa o n (m)
a,b,c,...,z constantes da equao da continuidade modificada
A,B,C,...,Z constantes da equao da continuidade generalizada
coeficiente de Coriolis de distribuio da velocidade
,, e coeficientes das equaes na forma de diferenas finitas t intervalo de tempo computacional He perda de energia na entrada do poo de visita Hs perda de energia na sada do poo de visita x distncia entre dois pontos computacionais na malha (m) jk perda de carga total no n para o conduto de sada j
xix
dir(j) coeficiente de perda de carga na mudana de direo do escoamento
nvel coeficiente de perda de carga por diferena de cota contr(j) coeficente de perda de carga devido a contrao do
escoamento na sada do n
padro de chuva do Mtodo de Chicago n coeficiente de rugosidade de Manning
ij ngulo horizontal entre o conduto de entrada i e o conduto de sada j
densidade da gua (Kg/m3) ACI estao fluviogrfica Alto da Colina I
ACII estao fluviogrfica Alto da Colina II
CAD Computer Aid Designer
CSO Combined Sewer Overflow
DHI Danish Hydraulic Institute
EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuria
EPA Environmental Protection Agency
ETE estao de tratamento de esgoto
GIS Geographic Information System
IPH Instituto de Pesquisas Hidrulicas da UFRGS
MNT Modelo Numrico do Terreno
MOUSE Modelling of Urban Sewers
RIZA Dutch Institute of Inland Water Management and Wastewater
Treatment
SIG Sistema de Informaes Geogrficas
SWMM Storm Water Management Model
UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul
UFSM Universidade Federal de Santa Maria
xx
RESUMO Dissertao de Mestrado
Programa de Ps-Graduao em Engenharia Civil Universidade Federal de Santa Maria
SIMULAO HIDRODINMICA INTEGRADA DE SISTEMA DE DRENAGEM EM SANTA MARIA-RS
Autor: Adalberto Meller Orientadora: Eloiza Maria Cauduro Dias de Paiva
Data e Local da Defesa: Santa Maria, 22 de abril de 2004. O objetivo deste trabalho foi a avaliao do sistema de drenagem
urbana do Parque Residencial Alto da Colina, que apresenta pontos de
alagamento durante as chuvas de maior intensidade, utilizando dados de
monitoramento. Atravs do uso de modelos hidrolgicos de transformao
chuva-vazo e hidrodinmico unidimensional para propagao do
escoamento, integrantes do aplicativo MOUSE v.2003, foram analisados
os problemas decorrentes da ineficincia da drenagem, apontando
solues para o planejamento da drenagem urbana na regio.
Na etapa de calibrao o aplicativo apresentou resultados
satisfatrios, com coeficiente de correlao mdio de 0,94 e erros mdios
na vazo de pico e volume escoado de 4,24 e 19,28%, respectivamente.
Na comparao entre os nveis de inundao observados e simulados em
dois eventos registrados obtiveram-se erros de -24,88% e -9,19%. As
simulaes com cheias de projeto permitiram avaliar os pontos crticos do
sistema de microdrenagem, alm do mapeamento dos trechos de ruas
com maiores problemas de inundaes. Como alternativa de controle de
inundaes props-se a adoo de algumas medidas estruturais, com o
redimensionamento da rede de microdrenagem e introduo de um
reservatrio de deteno na rea rural da bacia. As simulaes das
alternativas de controle mostraram que as medidas propostas so efetivas
e viveis no controle de inundaes.
xxi
ABSTRACT M.Sc. Dissertation
Post-graduation Program in Civil Engineering Universidade Federal de Santa Maria
HYDRODYNAMIC SIMULATION OF DUAL DRAINAGE SYSTEM IN SANTA MARIA-RS, BRAZIL
Author: Adalberto Meller
Advisor: Eloiza Maria Cauduro Dias de Paiva Date and Local: Santa Maria, April 22 2004.
The objective of this work was the evaluation of the urban drainage
system of Residential Park Alto da Colina, which presents flood points
during high storms, using monitoring data. Through the use of rainfall-
runoff and hydrodynamic 1-D model, included in the package MOUSE
v.2003, current problems concerning the inefficiency of the drainage
system and aiming solutions for the urban drainage planning in the area
were analyzed.
In the calibration stage the software present satisfactory results,
with average correlation coefficient of 0.94 and average errors in the peak
and volume flows of 4.24 and 19.28%, respectively. In the comparison
between observed and simulated flood levels in streets of two registered
events, errors of -24.88% and -9.19% were obtained. The simulations with
design hyetographs allowed evaluate the critical points of the network
system, besides the mapping of streets with flood problems. As alternative
of control floods intended the adoption of some structural measures, with
the network resizing and introduction of a detention reservoir in the rural
area of the basin. The simulations of the control alternatives showed that
the proposed measures are effective and viable in the flood control.
1
1. INTRODUO
De acordo com a ltima estimativa populacional das Naes Unidas
(2003), a populao mundial alcanou em 12 de outubro de 1999 a marca
histrica de seis bilhes de habitantes, 47% do total se aglomerando em
aproximadamente 2% da superfcie dos continentes: as cidades. Nesse
contexto, as duas ltimas dcadas do sculo 20 apresentaram estatsticas
preocupantes, marcadas por um crescimento populacional com o maior
incremento anual registrado (86 milhes de pessoas por ano),
especialmente nos pases em desenvolvimento como o Brasil. Segundo
Tucci (1999), a taxa da populao urbana brasileira hoje de 80%,
prximo a saturao.
Os primeiros reflexos desse processo so observados pela
modificao do ciclo hidrolgico natural. Segundo Canholi (2002) todo
espao retirado pela urbanizao, anteriormente destinado ao
armazenamento natural em reas permeveis, vrzeas e mesmo nos
prprios talvegues so substitudas, via de regra, por grandes reas
impermeveis, gerando escoamento superficial excessivo e
subseqentemente transferindo um problema local para novas reas
jusante. Acresce-se a esse problema, a prtica comum e sem critrios da
canalizao dos rios e crregos, resultando no aumento da freqncia de
cheias e alagamentos, associadas a danos materiais e humanos.
O descaso do poder pblico em relao a poltica de urbanizao, se
faz sentir de maneira expressiva sobre a infra-estrutura urbana
relacionada aos recursos hdricos, especialmente sobre o sistema de
drenagem pluvial. O aumento da amplitude das vazes de pico devido a
impermeabilizao das reas urbanas, leva ao colapso os sistemas de
drenagem, que trabalham sob condies no projetadas se revelando ao
mesmo tempo ineficientes e de alto custo. Segundo Cao et al (1988)
bilhes de dlares so investidos na construo, operao e reabilitao
de redes, trazendo consigo os prejuzos causados pelas inundaes,
2
deteriorao do meio ambiente e problemas generalizados de sade
pblica.
Dentro desse cenrio, surge a necessidade de incorporao de
ferramentas para planificao de aes preventivas e corretivas da
drenagem urbana de maneira integrada na bacia. Nesse aspecto, a
modelagem matemtica associada ao suporte informtico j comprovou
ser indispensvel. Os aplicativos para simulao da drenagem urbana
atuam nesse sentido, promovendo uma anlise abrangente nos vrios
campos da drenagem urbana, atravs da vinculao de diversos modelos
numa estrutura modular.
Para simulao quantitativa do escoamento, esses aplicativos, em
geral, incluem basicamente dois componentes seqencialmente
conectados: um modelo hidrolgico para transformao da precipitao
em escoamento superficial e um modelo para propagao do escoamento
em redes de condutos e canais. Os modelos que descrevem a
propagao do escoamento na rede geralmente utilizam as equaes de
Saint Venant em sua forma completa e so chamados hidrodinmicos.
Ainda que outras formulaes sejam passveis de utilizao, alguns
fenmenos que ocorrem em redes de condutos, especialmente sob
condies crticas, como inverses de fluxo, efeitos de jusante e
escoamento sob presso, somente podem ser contemplados com a
utilizao desses modelos.
Embora os primeiros modelos tenham surgido com objetivo de
simulao e verificao de redes, com a rpida evoluo da informtica
passaram tambm a ser utilizados para simulao de inundaes em
reas urbanas, especificamente as relacionadas a ineficincia hidrulica
das redes de condutos. Nesse aspecto a contribuio dos modelos de
drenagem urbana significativa, fornecendo subsdios para o
entendimento das causas e da dinmica das inundaes, balizando
solues econmicas, eficientes e sustentveis na bacia hidrogrfica.
3
1.1. Objetivos e justificativa
O objetivo deste trabalho foi a avaliao do sistema de drenagem
urbana do Parque Residencial Alto da Colina, que apresenta pontos de
alagamento durante o perodo de chuvas de maior intensidade, utilizando
dados de monitoramento. Atravs do uso de modelos transformao
chuva-vazo e hidrodinmico de propagao do escoamento em redes e
canais, integrantes do aplicativo MOUSE v.2003, foram avaliados os
problemas decorrentes da ineficincia da drenagem, apontando solues
para o planejamento da drenagem urbana na bacia. Os resultados da
pesquisa podero futuramente servir de orientao na tomada de
decises em bacias com problemas semelhantes na regio.
4
2. REVISO DE LITERATURA
2.1. Introduo
A modelagem matemtica associada simulao computacional tem
se mostrado, nas ltimas dcadas, uma ferramenta indispensvel no
planejamento, dimensionamento e operao da drenagem urbana,
proporcionando anlises bem estruturadas e um melhor entendimento dos
processos fsicos do escoamento em redes de drenagem urbana.
A literatura sobre modelos de simulao da drenagem urbana
ampla e apresenta um nmero grande de aplicativos com propsitos e
teorias diferentes, o que demanda cuidados na seleo da ferramenta
adequada s reais necessidades. De acordo com Tucci (1998), a escolha
de um modelo depende dos objetivos de seu uso, da quantidade de
dados disponveis, das caractersticas do ambiente de simulao, da
familiaridade do usurio com o modelo e do oramento e condies
previstas.
Segundo DID (2000) provavelmente a mais importante considerao
na escolha de um modelo, a familiaridade do usurio com os
fundamentos tericos empregados. Modelos que propem anlises
simplificadas, utilizados por usurios que conhecem suas limitaes e
formulao terica, muitas vezes produzem resultados mais realistas que
modelos complexos utilizados por um usurio que no domine a teoria
dos processos, tratando o modelo como uma caixa preta.
2.2. Classificao dos modelos de drenagem urbana
De acordo com objetivos a que destinam os modelos para simulao
da drenagem urbana podem ser classificados em modelos de operao,
planejamento e dimensionamento. Segundo Zoppou (2000), os modelos
de planejamento so utilizados para estimar os custos associados com a
5
infra-estrutura urbana relacionada gua ao longo dos anos. Se o
objetivo for determinar as dimenses das estruturas que compem o
sistema, como redes de condutos, bacias de deteno, etc... utilizam-se
modelos de dimensionamento. Os modelos de operao fornecem uma
anlise detalhada e permitem definir regras de operao das estruturas
de controle (bombas, vertedores, bacias de deteno e comportas) e do
escoamento na rede de condutos.
H tambm circunstncias em que um modelo pode ser usado para
planejamento, dimensionamento e operao. A diferena fundamental na
diviso entre os modelos o nvel de informaes necessrias para
simulao dos processos, as informaes que podem ser obtidas com o
modelo especfico e a sofisticao da anlise realizada.
2.3. O ciclo hidrolgico urbano e a estrutura de um modelo de drenagem urbana
O escoamento gerado em reas urbanas proveniente de uma srie
de fontes, incluindo reas residenciais, comerciais e industriais, ruas e
rodovias; de forma generalizada de qualquer superfcie que no tenha
capacidade de armazenamento ou possibilidade de infiltrao durante os
eventos de precipitao. Quando uma rea alterada de um ecossistema
natural para uma rea urbana, a superfcie passa a ser artificialmente
ocupada por sarjetas, ruas e estacionamentos e a hidrologia do sistema
significativamente alterada (EPA, 1999). A gua anteriormente
armazenada na superfcie, infiltrada ou que alcanava o lenol fretico e
que era utilizada pelas plantas e evaporada e transpirada para atmosfera,
agora transformada diretamente em escoamento superficial. O objetivo
em um modelo de drenagem urbana , especialmente, a representao
dessa parte do ciclo e sua interao com a rede de drenagem de guas
pluviais. A figura 1 mostra os principais processos que ocorrem em um
sistema de drenagem.
6
3
1a
1b
Q(t)
2a
Precipitao(t)
1. Abstrao Inicial da Precipitao 1.a. Deteno superficial1.b. Infiltrao
2. Escoamento Superficial 2.a. Na superfcie do terreno2.b. Nas Sarjetas3. Escoamento na Rede de Drenagem
2b
rea
s Imp
erme
veis
reas Permeveis
FIGURA 1. Processos em um sistema de drenagem (modificado de Maksimovic (2001))
Os modelos de drenagem urbana incluem basicamente duas partes
seqencialmente conectadas: um modelo hidrolgico para transformao
da precipitao em escoamento superficial e um modelo hidrulico de
propagao do escoamento em redes de condutos e canais. Os modelos
hidrolgicos basicamente descrevem o processo de transformao chuva-
vazo atravs de algoritmos de perdas por armazenamento em
depresses, interceptao, perdas por infiltrao e de propagao na
superfcie.
Nos modelos para simulao da drenagem urbana, a rede de
condutos, ruas e canais so geralmente representados atravs de um
conjunto de vnculos e ns, o conceito de link-node. Os ns representam
estruturas como poos de visita, bacias de deteno ou pontos de
armazenamento no sistema, enquanto que os vnculos representam as
7
estruturas de ligao entre os ns, podendo ser redes de condutos, ruas
ou canais de macrodrenagem.
Para efeitos de simulao hidrolgica chuva-vazo a rea total da
bacia dividida em sub-reas contribuintes, delimitadas de acordo com a
rea de captao de cada boca-de-lobo. A partir de dados de
precipitao, os hidrogramas de escoamento superficial determinados
pelo modelo hidrolgico so adicionados aos ns e propagados na rede
pelo modelo hidrulico.
2.3.1. O escoamento na rede de drenagem pluvial
Do ponto de vista da mecnica dos fluidos, o escoamento em redes
de condutos um dos mais complexos problemas hidrulicos (Yen, 1978).
O escoamento inevitavelmente no-permanente, usualmente no-
uniforme e turbulento, algumas vezes se processando a superfcie livre
outras sob presso. Esse conjunto de caractersticas contrasta com as
simplificaes utilizadas normalmente pelos mtodos de anlise e
dimensionamento da rede, resultando em alguns casos sistemas
ineficientes e de alto custo.
O critrio usual de dimensionamento adequar a capacidade
hidrulica da rede considerando o escoamento uniforme, em regime
permanente e superfcie livre, a uma vazo correspondente a uma
chuva de projeto normalmente com tempo de retorno entre 2 e 10 anos.
Quando a precipitao supera a chuva de projeto, as caractersticas do
escoamento mudam, e as premissas bsicas do dimensionamento no
so mais vlidas. Nestas condies podero ocorrer na rede a
possibilidade de escoamento sob presso alm de inverses de fluxo e
efeitos de jusante, que s podem ser avaliados com o uso de modelos de
simulao em regime no-permanente.
Villanueva (1990) cita que embora os modelos utilizados para o
dimensionamento de redes de drenagem possam fornecer diretrizes que
8
remetam a um dimensionamento correto, somente a utilizao de um
modelo de fluxo no-permanente pode identificar a segurana e economia
do projeto sob situaes crticas.
2.4. Equaes fundamentais do escoamento no-permanente
As equaes fundamentais utilizadas para descrever o escoamento
unidimensional a superfcie livre baseiam-se nas leis da conservao da
massa (equao da continuidade) e da quantidade do movimento
(equao do momento) baseada na 2 Lei de Newton; as chamadas
equaes de Saint Venant. A deduo dessas equaes pode ser
encontrada em Tucci (1998), Henderson (1966) e Cunge et al (1980).
As equaes de Saint Venant so base dos modelos de
propagao do escoamento em canais e redes de condutos. A equao
da continuidade descreve o balano da massa no escoamento e a
equao do momento descreve o balano das foras sob condies
dinmicas (Ji, 1998). A aplicao destas equaes em canais ou redes de
condutos supe a adoo de algumas simplificaes, sendo as principais
descritas abaixo:
O fluxo considerado incompressvel e homogneo, ou seja, so desprezadas variaes na densidade do fluido;
A declividade do fundo pequena, dessa forma o seno do ngulo tomado com a horizontal pode ser considerado igual a tangente;
O comprimento das ondas grande se comparado com a profundidade do escoamento. Isto assegura que a vazo em qualquer
posio pode ser tomada como tendo direo paralela ao fundo do canal.
Desta forma as aceleraes verticais podem ser desprezadas e pode ser
considerada uma variao hidrosttica da presso ao longo da vertical;
O escoamento subcrtico; A declividade da linha de energia obtida pela utilizao de equaes de movimento uniforme, como por exemplo a de Manning ou
9
Chezy.
As equaes da continuidade e do momento na forma no-
conservativa so apresentadas a seguir pelas equaes 1 e 2
respectivamente, embora outras formas particulares de apresentao
sejam possveis em funo das variveis dependentes.
0tA
xQ =
+ (1)
)II(gAxhgA
xAQ
tQ
f0
2
=+
+ (2)
onde Q=descarga (m/s3); A=rea molhada (m2); h=profundidade (m); g=acelerao da gravidade (m/s2); x=distncia na direo do escoamento
(m); t = tempo (s); I0=declividade do leito e If =declividade da linha de
energia.
Os primeiros dois termos do lado esquerdo da igualdade na
equao do momento representam as foras de inrcia, enquanto que o
terceiro termo representa as foras de presso. O termo do lado direito na
equao representa as foras gravitacionais e de atrito.
2.5. Classificao dos modelos de propagao do escoamento
Os modelos de propagao do escoamento podem ser classificados
em modelos de armazenamento ou hidrodinmicos (Cirilo et al, 2003). Os
modelos de armazenamento, como o prprio nome indica, consideram
somente os efeitos do armazenamento na atenuao e deslocamento da
onda de cheia, desprezando os efeitos de atrito levados em conta pela
equao do momento.
Os modelos que utilizam as equaes de Saint Venant so
10
chamados de hidrodinmicos, e podem ser classificados em simplificados
ou completos, de acordo com a considerao ou no dos termos da
equao do momento. Se forem desprezados os termos de inrcia e
presso, tem-se o modelo da onda cinemtica, onde se tem a
desvantagem da impossibilidade de simular fenmenos tais como efeitos
de jusante sobre o escoamento. Nestas situaes pode ser utilizado um
modelo de difuso, negligenciando somente os termos de inrcia na
equao da continuidade. Este modelo, porm, segundo Tucci (2001),
no deve ser utilizado quando h grande variao espacial e temporal da
velocidade no sistema. Os modelos anteriores tambm so chamados de
hidrodinmicos simplificados.
Os modelos que resolvem as equaes em sua forma completa so
chamados de hidrodinmicos completos, podendo representar com
preciso os fenmenos mais importantes do escoamento em canais.
Vieira da Silva et al (2003) citam que a comparao entre os modelos
simplificados e completos importante no processo de escolha e envolve
propriedades como preciso, facilidade de aplicao, uso e objetivo dos
resultados, base de dados existentes, economia e outros fatores.
Entretanto quaisquer que sejam os critrios na deciso sobre qual modelo
utilizar, o uso de modelos baseados na soluo das equaes completas
de Saint Venant sempre fornecer resultados mais confiveis.
2.6. Fundamentos tericos dos modelos hidrodinmicos completos
Os modelos hidrodinmicos constituem um sistema de equaes
de derivadas parciais de primeira ordem, quase-linear e do tipo
hiperblico, no existindo soluo analtica para o mesmo (Cirilo et al,
2003). Assim se faz necessrio utilizao de solues aproximadas,
geralmente realizadas atravs de mtodos numricos. No sendo o
objetivo da pesquisa o desenvolvimento de um modelo hidrodinmico de
redes de condutos e sim sua utilizao na avaliao de um sistema de
11
drenagem, o contedo deste item toca somente nos fundamentos
principais dos mtodos de resoluo das equaes de Saint Venant, de
forma simplificada e informativa.
2.6.1. Mtodos de soluo
A forma mais utilizada para soluo das equaes de Saint Venant
atravs de mtodos numricos baseados nas aproximaes por
diferenas finitas, que podem ser explcitos ou implcitos. Para que a
representao do sistema por um esquema de diferenas finitas seja
adequada, certas propriedades no esquema numrico so fundamentais.
A estabilidade, segundo Wrobel (1989), uma propriedade
fundamental relacionada com o esquema de integrao no tempo.
Quando um mtodo numrico instvel, qualquer perturbao como erros
de truncamento da srie de Taylor ou erros de arredondamento podem
crescer levando a soluo das equaes diferenciais a valores absurdos.
Na prtica, considerando que as equaes diferenciais do escoamento
envolvam duas variveis independentes t (tempo) e x (espao), so
utilizadas condies de estabilidade que impem um limite superior no
espaamento (x) dos valores de x e no incremento de tempo (t) utilizados no clculo (DID, 2000). A condio de estabilidade para os
esquemas explcitos geralmente definidas pelo critrio de Courant,
definido como:
5.0)gh(Vtx +
(3) onde V=velocidade do escoamento (m/s); g=acelerao da gravidade
(m2/s); h=profundidade do escoamento (m).
Segundo Schmitt (1986) em um esquema explcito as variveis
desconhecidas no intervalo de tempo atual so derivadas das variveis no
intervalo de tempo anterior. Dessa forma, a aproximao conduz a
solues algbricas mais simples, porm incondicionalmente instveis do
12
ponto de vista numrico (Cirilo et al, 2003). Ji (1998) afirma ainda, que
estes esquemas requerem um pequeno intervalo de tempo e um
comprimento mnimo, tornando o processo exaustivo em alguns casos.
Nos esquemas implcitos, as variveis desconhecidas no intervalo
de tempo atual e anterior devem ser resolvidas simultaneamente. Desta
forma as variveis no podem ser escritas em funo exclusivamente dos
valores conhecidos. A soluo ento obtida para todas as variveis do
sistema atravs de equaes algbricas.
Vrias so as vantagens dos esquemas implcitos, a principal
segundo Vieira da Silva et al (2003), seria que as equaes resultantes
praticamente no apresentam problemas de instabilidade numrica,
permitindo quando necessrio utilizao de intervalos de tempo maiores
que os esquemas explcitos.
Ji (1998) afirma que as pesquisas realizadas envolvendo
diferentes esquemas mostram que os esquemas implcitos so os mais
sofisticados, sendo o esquema implcito de quatro pontos de Preissmann
o geralmente adotado em modelos de redes de condutos. Existem ainda
muitos modelos desenvolvidos utilizando-se esquemas implcitos
alternativos, como os esquemas de seis pontos de Abbott e Ionescu
(Cunge, 1980) e um esquema semelhante desenvolvido pelo Delft
Hydraulics Laboratory (Cunge, 1980).
A soluo dos sistemas de equaes resultantes da aplicao dos
esquemas implcitos de diferenas finitas recai geralmente em uma
matriz do tipo banda, podendo ser resolvida pelo mtodo generalizado
de Newton-Raphson ou pelo processo de dupla varredura. Entretanto,
Villanueva (1990) cita que para redes complexas as matrizes resultantes
no so banda como nos trechos mais simples e sim esparsas,
necessitando mtodos especficos de soluo.
Por fim, as equaes de Saint Venant, como equaes diferenciais
parciais, necessitam ainda de valores iniciais e valores de contorno para
garantia e unicidade da soluo. As condies iniciais podem ser
13
representadas, por exemplo, por condies de escoamento uniforme.
Atualmente muitos modelos de drenagem urbana tm utilizado como
condio inicial introduo artificial de uma lmina de gua mnima, com
profundidade variando entre 0,5 e 5% da dimenso caracterstica do
conduto, podendo ser ou no subtrada do hidrograma final para no
afetar o balano do volume da simulao.
As condies de contorno, por sua vez, so informaes
necessrias para soluo das equaes do escoamento para cada
conduto ou canal entre dois ns, simultaneamente na entrada e na sada
do conduto. Podem ser definidas basicamente como relaes entre duas
variveis, como por exemplo, vazo em funo do tempo (hidrograma),
vazo em funo da cota (curva-chave) ou cota em funo do tempo
(cotagrama).
2.7. Evoluo dos modelos hidrodinmicos de redes de drenagem pluviais
Os primeiros modelos hidrodinmicos de simulao de redes de
condutos surgiram no final da dcada de 60. Especialmente nesta
dcada, surgiram vrios trabalhos no intuito de validao das equaes
de Saint Venant para utilizao em modelos de propagao do
escoamento em redes de condutos. Dentre eles podem ser citados os
trabalhos de Harrison (1964), Mitchel (1967) e Yevjavich & Barnes (1970)
apud Sivaloganathan (1982). Alguns modelos de redes surgiram como
modificaes de modelos hidrodinmicos para simulao do escoamento
em rios, outros foram concebidos especificamente para simulao em
redes de drenagem.
Os modelos para computador surgiram somente na metade da
dcada de 70 e efetivamente no incio da dcada de 80, desenvolvidos
primeiramente pelas agncias governamentais americanas, como a EPA
(Agncia de Proteo Ambiental Americana). A principal limitao nesta
14
fase de evoluo dos modelos foi a limitao computacional. Os primeiros
computadores tinham uma capacidade de processamento pequena, e a
resoluo dos sistemas de equaes dispensava um tempo precioso,
principalmente quando era necessrio avaliar sistemas com um grande
nmero de elementos (condutos, poos de visitas, etc...). Desta forma, o
tempo de simulao era um fator relevante e em certos casos
determinante sobre a escolha do tipo de esquema a ser utilizado para
resoluo das equaes do escoamento.
Na metade da dcada de 80 os modelos de drenagem urbana
comearam a se tornar mais robustos, desenvolvidos por instituies
particulares da Europa, no intuito de criar pacotes comerciais. Chorin
apud Abbott (1987) estimaram que o comrcio com os modelos
computacionais de dinmica dos fludos fez girar cerca de um bilho de
dlares nessa dcada e aumentaria substancialmente nos anos 90. Neste
perodo tambm se introduziu a idia que se concretizaria na dcada
seguinte, de integrao dos modelos de drenagem urbana com o Sistema
de Informaes Geogrficas (SIG).
A partir da dcada de 90, com a proliferao dos computadores
pessoais e o rpido avano da informtica, tornou-se possvel para
qualquer engenheiro o uso de modelos extremamente avanados para
propsitos que variavam desde a anlise de simples condutos individuais
at a anlise de sistemas de drenagem urbana de cidades inteiras (DID,
2000). Nesta dcada a integrao com o SIG se tornou uma realidade.
Um dos primeiros artigos apresentados neste sentido foi publicado por
Elgy et al (1993), onde foi apresentada uma metodologia para aquisio
de dados espaciais a partir do SIG e criao automtica de arquivos de
entrada para modelos de drenagem urbana.
Hoje, a maioria dos modelos de drenagem urbana se apresentam na
forma de aplicativos comerciais, para gerenciamento integrado e controle
da drenagem urbana. Os aplicativos so constitudos por vrios modelos,
chamados de mdulos, que podem operar individualmente ou de forma
15
integrada aos outros mdulos, com exceo dos mdulos de
transformao chuva-vazo e propagao do escoamento na rede,
fundamentais para outras rotinas. Alm da anlise do escoamento,
incluem a transformao chuva-vazo atravs de diversos modelos
hidrolgicos, permitem anlise qualitativa do escoamento, avaliao do
transporte de sedimentos na rede, operao do sistema com bombas,
vertedores e orifcios, bacias de deteno, medidas no-estruturais de
controle do escoamento, simulao da operao de estaes de
tratamento, demarcao de reas inundveis, simulao e previso em
tempo-real, ferramentas para anlise estatstica dos resultados e de
apresentao de mapas, e a maioria possui total integrao com o SIG.
Entretanto, mesmo com a indiscutvel evoluo dos modelos de
drenagem urbana, alguns pesquisadores criticam o modo como vem
ocorrendo. Na viso de Maksimovic (2001), os modelos parecem ter
alcanado um estgio de avano no qual a maioria dos pesquisadores
parece ter perdido o entusiasmo para promover uma melhoria concreta
nos seus fundamentos tericos, necessria diante da complexidade do
ambiente urbano. Grficos poderosos e imagens coloridas no contribuem
de forma efetiva para a evoluo do modelo se a modelagem dos
processos fsicos no for melhor estudada, visto que a maioria dos
modelos atuais so adaptaes de teorias e modelos criados nas
dcadas anteriores.
Baptista & Matos (1994) apud Neves (2000) citam alguns requisitos
bsicos que atualmente devem ser atingidos por um modelo para que o
mesmo atinja um reconhecimento maior. Entre eles devem estar rigor de
clculo, facilidade de alterao de dados, algoritmos de deteco de
erros, facilidade de interpretao de dados e facilidade de uso. Segundo
Maksimovic (2001) muito importante a avaliao do comportamento dos
modelos em regies climticas especficas diferentes das de sua
concepo. Ele cita alguns aspectos que devem ser considerados
atualmente no processo de evoluo dos modelos de drenagem urbana:
16
Captura, filtragem, compactao e processamento de dados de alta resoluo espacial obtidos por sensoriamento remoto, permitindo uma
melhor representao da superfcie e do uso do solo;
Anlise do efeito da manuteno e gerenciamento de prticas (degelo, limpeza de bocas-de-lobo, lavagem de ruas e etc...) na qualidade
da gua;
Anlise dos efeitos de medidas de controle do escoamento na fonte.
Outro aspecto que vem sendo atualmente incorporado ao processo
de modelagem da drenagem urbana o conceito aqui denominado de
drenagem integrada (Dual-Drainage, originalmente), apresentado no
item 2.7.1.
2.7.1. Conceito de drenagem integrada (Dual Drainage) aplicado aos modelos de drenagem urbana
Segundo Djordjevic et al (1999) um modelo de drenagem integrada
possui duas partes interativas, ou duas redes. A parte subterrnea
consiste na rede de condutos pluviais, constituda por poos de visita,
bocas-de-lobo e estruturas de controle. A parte superficial formada por
canais naturais, reas de reteno do escoamento em depresses do
terreno ou estruturas de controle artificiais. Os resultados das simulaes
do modelo so os hidrogramas de sada da rede de condutos, o volume
de gua que deixa o sistema ou fica armazenado em reas de reteno e
os nveis de inundao na superfcie. A figura 2 ilustra o funcionamento
de um modelo de drenagem integrada.
Embora os modelos de drenagem urbana tenham comeado a
utilizar os conceitos de drenagem integrada a partir da dcada de 90, com
a efetiva introduo do SIG, os primeiros trabalhos com esse propsito
foram realizados pouco antes da dcada de 80. No incio da dcada de 80
Wisner & Kassen (1982) apresentaram um modelo hidrodinmico
17
simplificado, desenvolvido pela Universidade de Ottawa (OTTSWMM),
que utilizava o modelo da onda cinemtica para propagao do
escoamento em ruas e na microdrenagem.
Era composto por quatro sub-modelos: o de transformao chuva-
vazo (escoamento superficial), um modelo para propagao do
escoamento na microdrenagem e ruas e um modelo especfico para
considerar a capacidade de engolimento das bocas-de-lobo, de modo a
permitir a interao os dois sub-modelos anteriores.
Microdrenagem
Macrodrenagem
Alagamento
reas Permeveis
Rio
reas Impermeveis
Boca-de-lobo
Precipitao Intensa
Corpo Receptor
Fluxo Bi-direcional
Fluxo Bi-direcional
Sarjeta
FIGURA 2. Conceito de drenagem integrada (Dual drainage)
Djordjevic et al (1999) apresentou um artigo utilizando conceitos
semelhantes aos de Wisner & Kassen (1982), porm com uma descrio
detalhada da superfcie atravs da utilizao de ferramentas de
geoprocessamento. Desta forma foi possvel considerar o armazenamento
do escoamento em depresses no terreno, ruas, reservatrios e reas de
inundao, atravs da construo do modelo numrico do terreno (MNT),
numa conexo bidirecional entre o sistema de condutos e a superfcie do
terreno.
18
2.8. Modelos e aplicativos para simulao de drenagem urbana
O objetivo deste tpico promover informaes gerais de alguns
modelos e aplicativos de drenagem urbana atualmente utilizados. Os
modelos citados aqui foram em sua maioria desenvolvidos at a dcada
de 80, quase que exclusivamente para simulao da propagao em
redes de condutos e transformao chuva-vazo de forma simplificada,
com algumas excees. Hoje a maior parte desses modelos integra
aplicativos multidisciplinares para simulao da drenagem urbana.
Os modelos, segundo Villanueva (1990), podem ser classificados
utilizando o conceito de mtodo de verificao, que divide os modelos
hidrodinmicos em completos e simplificados.
2.8.1. Modelos simplificados de verificao
Os modelos de verificao simplificados so aqueles que utilizam
algum mtodo de propagao na rede baseando-se em simplificaes
dos termos das equaes do escoamento ou anlise grosseira do
escoamento sob presso. Dentro dessa classificao podem ser citados
os modelos ISS (Sevuk & Yen, 1982), INSTDY (Book (1980) apud Bron
& Richard (1982)), OTTSWMM (Wisner & Kassen, 1982), SURKNET
(Pansic & Yen, 1981), HAMOKA (Schimdt, 1986) e os modelos de Dale et
al (1981), Sivaloganathan (1982), Pinkayan (1972) e Joliffe (1981).
2.8.2. Modelos completos de verificao
Os modelos completos de verificao resolvem as equaes
completas de Saint Venant e so capazes de representar a maioria dos
fenmenos que ocorrem na propagao do escoamento em condutos,
especialmente em condies crticas, tal como inverses de fluxo, efeitos
de jusante e escoamento sob presso. A maioria adota esquemas
19
implcitos para soluo das equaes completas e utiliza a fenda de
Preissman para simulao do escoamento sob presso. Como exemplo
podem ser citados os modelos SUPERLINK (Ji, 1998), DAGVL-A
(Sjberg, 1981), S11S (Abbott, 1982), CAREDAS (Chevereau, 1978), e os
modelos de Song et al (1983), Toyokuni & Watanabe (1986) e Neves
(2000).
2.8.3. Aplicativos
Os aplicativos promovem uma anlise abrangente nos vrios
campos da drenagem urbana, integrando a modelagem do escoamento
superficial, propagao em redes de condutos, simulao da qualidade da
gua e transporte de sedimentos, atravs da vinculao de diversos
modelos sob uma mesma plataforma numa estrutura modular.
Fundamentalmente a maioria dos aplicativos apresentados neste item
adotam teorias semelhantes, porm no idnticas. A seguir so
apresentados alguns aplicativos que atualmente tm sido utilizados.
2.8.3.1. SWMM (EPA )
O SWMM (Storm Water Management Model), da Agncia de
Proteo Ambiental Americana (EPA), surgiu no final da dcada de 60,
entre 1969 e 1970, desenvolvido pelos pesquisadores Metcalf e Eddy, a
Water Resources Engineers e a Universidade da Flrida, sob comando e
superviso da EPA. Foi o primeiro modelo computacional para anlise
quali-quantitativa associada ao escoamento gerado em reas urbanas,
desenvolvido em 5 verses principais (v.1-1970, v.2-1975, v.3-1981, v.4-
1988 e v.5-2003) at sua ltima atualizao em junho de 2003, dando
origem a verso 5.
At os dias de hoje, o SWMM o aplicativo mais utilizado para
simulao da drenagem urbana, principalmente por ser de domnio
20
pblico e ter seu cdigo de programao aberto, permitindo modificaes
ao longo dos ltimos 30 anos. O aplicativo permite anlise quali-
quantitativa dos problemas relacionados drenagem e a investigao de
alternativas de controle do escoamento, fornecendo subsdios para
estimativas de custo para estruturas de armazenamento e tratamento. As
solues adotadas podem ser avaliadas atravs de simulaes que
fornecem como resultados hidrogramas, polutogramas e cargas de
poluentes.
A estrutura do aplicativo dividida em 10 mdulos, 4 mdulos
principais chamados de blocos computacionais (Runoff, EXTRAN,
Storage/Treatment e Receiving water), e 6 mdulos auxiliares (Executive,
Graph, Combine, Rain, Temp e Statistics), chamados de blocos de
servio. A figura 3 apresenta a estrutura e a inter-relao entre os
mdulos do aplicativo.
BlocoExecutive
Executive
Statisics
Graph
Combine
Rain
Temperature
Transport
Extran
Mdulos de Servio Mdulos Computacionais
Statistics
Graph
Rain
Temperature
Runoff
Storage/Treatment
FIGURA 3. Relao entre os mdulos estruturais do SWMM. (Modificado de Huber & Dickinson (1992))
Os mdulos computacionais so os responsveis pelas principais
rotinas de clculo do aplicativo, como transformao chuva-vazo,
propagao na rede, rotinas envolvendo o clculo de cargas de poluentes
e simulao de estruturas de controle quali-quantitativo do escoamento,
21
sendo auxiliados pelos mdulos de servio. Os mdulos de servio
possuem funes diversas, como organizao da ordem das simulaes
(Executive), dos dados de precipitao (Rain) e temperatura (Temp),
apresentao de grficos (Graph) e anlise estatstica (Statistics) dos
resultados. Por serem os de maior interesse neste estudo, os mdulos
computacionais Runnoff e EXTRAN sero descritos com mais detalhe a
seguir.
O mdulo Runoff permite a simulao quali-quantitativa do
escoamento gerado em reas urbanas e sua propagao na superfcie ou
atravs de canais de forma simplificada. O mdulo processa suas rotinas
com base em dados de precipitao ou neve, simulando degelo,
infiltrao em reas permeveis (modelos de Horton ou Green Ampt),
deteno na superfcie, escoamento na superfcie e em canais, podendo
ser utilizado para simulaes de eventos isolados ou contnuos.
A bacia representada na forma de um conjunto de sub-bacias e
canais de propagao interconectados. A rea de cada sub-bacia
subdividida em trs sub-reas: impermevel com armazenamento,
permevel com armazenamento e permevel sem armazenamento. O
escoamento superficial obtido atravs de um reservatrio no-linear
para cada sub-rea representado pela combinao das equaes de
Manning e da continuidade, resolvidas pelo processo iterativo de Newton-
Raphson. As informaes bsicas para simulao hidrolgica chuva-
vazo so, alm dos dados de precipitao, rea da sub-bacia, largura
representativa da sub-bacia, coeficiente de rugosidade de Manning,
declividade da sub-bacia, altura do armazenamento em depresses e
parmetros de infiltrao.
O mdulo de propagao do escoamento em redes de condutos
Extran (Extended Transport) foi desenvolvido na cidade de San Francisco
(USA), em 1973, e chamado originalmente de San Francisco model,
sendo adicionado ao SWMM a pedido da EPA em 1974. Como o prprio
nome sugere, o mdulo foi introduzido no intuito de promover uma forma
22
de propagao alternativa a proposta pelo mdulo Transport (baseado no
modelo da onda cinemtica), que adicionalmente considerasse os
fenmenos mais complexos no escoamento, principalmente o
escoamento sob presso.
O Extran um modelo hidrodinmico de propagao do escoamento
em redes de condutos ou canais de macrodrenagem. Resolve as
equaes completas de Saint Venant para as variveis vazo e cota
piezomtrica utilizando um esquema explcito adiantado no tempo,
segundo o mtodo de Euler modificado. Intervalos de tempo de 5 a 60
segundos so utilizados nas simulaes, fazendo com que o tempo de
simulao seja uma varivel importante no uso do modelo (Roesner et al
(1988)).
A representao da rede baseada no conceito de vnculos e ns
(link-node concept), o qual no limita a aplicao do modelo a sistemas
de drenagem de forma dendrtica. O programa pode simular redes
multiplamente conectadas, efeitos de jusante, fluxo reverso, escoamento
superfcie livre ou sob-presso, atravs de vertedores, orifcios ou
conjunto de bombas, canais naturais (geometria irregular) ou com
geometrias prismticas.
Segundo Neves (2000), o escoamento sob presso simulado pelo
EXTRAN assumindo que a soma dos fluxos entrando igual a dos fluxos
saindo em ns (poos-de-visita) com sobrecargas, sendo utilizado um
procedimento iterativo para balancear os fluxos dentro da poro em
sobrecarga da rede de condutos.
Roesner et al (1988) cita que o mdulo EXTRAN possui algumas
limitaes, que se no forem consideradas pelo usurio, podem
proporcionar uso incorreto ou causar erros no clculo das vazes e
profundidades do escoamento, como:
As perdas de carga nos poos de visita no so explicitamente calculadas, e se refletem nos valores do coeficiente de Manning dos
canais e condutos;
23
Mudanas na profundidade de escoamento devidas a contraes ou expanses so desconsideradas;
Problemas de instabilidades podem ocorrer em ns que contenham estruturas como vertedores nas situaes de sobrecarga do
sistema.
Alm das limitaes citadas, algumas desvantagens so evidentes
na utilizao do aplicativo. O programa foi desenvolvido em linguagem
Fortran, roda no ambiente DOS e necessita extensos arquivos de entrada
com configuraes complexas, dificultando sua utilizao. Recentemente
a EPA, acompanhando o processo de evoluo dos aplicativos,
apresentou o SWMM na verso 5, em fase de testes. A nova verso foi
programada em linguagem orientada a objeto com intuito de tornar a
interface do software mais amigvel a seus usurios e permitir uma futura
integrao com o SIG.
Alm da EPA, empresas que trabalham no desenvolvimento de
aplicativos j realizaram modificaes no SWMM, a maioria promovendo
integrao com o ambiente SIG ou CAD, incluindo ferramentas de
apresentao dos resultados e melhoria na capacidade do banco de
dados do aplicativo. Alguns aplicativos desenvolvidos neste sentido so o
PCSWMM (Computacional Hydraulics Int. ),
XPSWMM (XP Software ) e o MIKE SWMM
(DHI Water&Environment ).
2.8.3.2. InfoWorks CS v.4.0 (Wallinford Software < http://www.wallinfordsoftware.com>)
O InfoWorks CS a oitava verso resultante de uma srie de
implementaes que ocorreram ao longo dos anos. Surgiu inicialmente
como um aplicativo para anlise do escoamento em rede de condutos
chamado Mainframe WASSP, em 1982. A partir desta data, o modelo
recebeu vrias alteraes em sua estrutura, para simulao de um
24
nmero cada vez maior de ns (poos de visita) e incluso de rotinas para
simulao da qualidade da gua e integrao com o SIG, at sua ltima
atualizao em 2001 dando origem ao InfoWorks CS v.4.0.
A base operacional do aplicativo est fundamentada em sua quinta
verso, o HydroWorks PM (1994). O HydroWorks possui sua estrutura
dividida em 5 mdulos principais para estimativa da carga de lavagem,
simulao da qualidade da gua na rede, construo de hietogramas de
projeto, transformao chuva-vazo e propagao na rede de condutos e
canais. O mdulo chuva-vazo se divide em dois: um para separao do
escoamento e outro para propagao na superfcie. A separao do
escoamento pode ser feita por seis modelos: Horton, Green-Ampt, Soil
Conservation Service (USA) e mais trs modelos que utilizam coeficientes
baseados nas caractersticas da superfcie do solo. A propagao
superficial do escoamento pode ser feita atravs de cinco modelos:
Double linear reservoir, Large contributing area, SPRINT, Desbordes
runoff model e SWMM runoff model.
O mdulo de propagao do escoamento resolve as equaes de
Saint Venant em sua forma completa atravs do esquema implcito de
Preissmann, permitindo simular qualquer tipo de rede. Wallinford Software
(1994) comenta que h dois principais problemas numricos devido
utilizao do esquema de Preissman: na transio entre o escoamento
subcrtico e supercrtico e na representao do escoamento quando h
perodos de estiagem. No primeiro caso utilizado uma transio gradual
entre os dois regimes, com simplificao dos termos de inrcia das
equaes de Saint Venant, e no segundo o modelo adota uma vazo de
base correspondente a uma lmina dgua mnima de 5% da dimenso
vertical do conduto ou canal, posteriormente retirada para no afetar o
balano do volume na simulao. Os termos de atrito das equaes do
escoamento podem ser representados alternativamente pela equao de
Manning ou Colebrook-White. A interferncia da deposio de sedimentos
no escoamento tambm pode ser considerada pelo aplicativo, porm no
25
tem um modelo especifico para simulao do transporte de sedimentos na
rede.
2.8.3.3. SOBEK-Urban v.2.8 (WL | DELFT Hydraulics )
O aplicativo SOBEK foi desenvolvido pelo instituto holands WL |
Delft Hydraulics em parceria com Instituto Holands de Gerenciamento e
de guas Interiores e Tratamento de guas Servidas (Dutch Institute of
Inland Water Management and Wastewater Treatment (RIZA)) e
empresas holandesas de consultoria em recursos hdricos (WL | DELFT
Hydraulics, 2004). O SOBEK-Urban um software de dimensionamento e
verificao de redes de condutos, podendo simular redes multiplamente
conectadas (at 25.000 condutos), efeitos de jusante, inverses de fluxo,
fluxo sob presso, operao de bombas, vertedores e comportas, bueiros,
orifcios, vlvulas com sifo, deposio de sedimentos na rede, operao
de sistemas em tempo-real e realiza a simulao hidrolgica chuva-vazo
para vrios tipos de superfcies pavimentadas e no-pavimentadas. O
programa pode ainda funcionar em conjunto com dois outros aplicativos,
SOBEK-Rural e SOBEK-River, que incluem simulao hidrolgica chuva-
vazo contnua, operao mltipla de reservatrios, ferramentas para
anlise e controle de cheias, estudo envolvendo qualidade da gua e
transporte de sedimentos em rios.
O aplicativo dividido em 3 mdulos principais: Rainfall Run-off,
Water Flow e Real Time Control. O mdulo Rainfall Run-off faz a
transformao chuva-vazo aplicada a vrios tipos de superfcies como
telhados, ruas e reas de estacionamentos, utilizando o mtodo racional
integrado com o modelo de infiltrao de Horton. Para simulao de
processos mais detalhados incluindo reas permeveis ou rurais,
industriais, com estruturas de controle do escoamento e integrao com o
escoamento subterrneo pode-se optar pela integrao com o aplicativo
26
SOBEK-Rural.
O mdulo Water Flow propaga o escoamento na rede de condutos.
Resolve as equaes completas de Saint Venant atravs do esquema do
Delft Hydraulics Laboratory permitindo a simulao de inundaes no
sistema, escoamento supercrtico sem simplificao das equaes,
simulao de redes multiplamente conectadas e ressaltos hidrulicos,
garantindo a soluo para cada intervalo de tempo atravs de um
algoritmo que adapta o intervalo de tempo a certas condies de fluxo.
O escoamento sob presso no aplicativo simulado atravs de um
mtodo que envolve o armazenamento no poo de visita, mas que
segundo os autores produz resultados similares aos obtidos com a
introduo da fenda de Preissmann. Para a soluo das equaes do
escoamento, os termos que expressam as foras de atrito podem ser
calculados por vrias metodologias, atravs da equao de Chezy,
Manning, Nikuradse, Strickler ou White-Colebrook por Bos-Bijkerk. O
transporte de sedimento na rede pode ser calculado alternativamente
atravs dos mtodos de Van Rijn e Frijlink.
Umas das vantagens do aplicativo possuir um mdulo para
simulao do escoamento na superfcie em duas dimenses, permitindo
tambm que arquivos sejam importados ou exportados para trabalhar com
aplicativos de SIG.
2.8.3.4. MOUSE v.2003 (DHI Water&Environment )
O aplicativo MOUSE (Modelling of Urban Sewer) teve sua origem no
modelo hidrodinmico S11S (System 11 Sewer), baseado em uma
adaptao do modelo original S11 (System 11) desenvolvido na dcada
de 70 para anlise do escoamento em corpos dgua naturais por A.
Vervey e A. Kej (Abbott et al, 1982). O S11S, adaptado para aplicao em
redes de esgoto e drenagem urbana, deu origem posteriormente a
27
primeira verso do MOUSE, a verso 1.0, desenvolvida em parceria pela
Universidade Tcnica da Dinamarca, as companhias Kruger, PH-Consult,
Emolet data A/S e pelo Danish Hydraulic Institute (Mark, 2003).
O MOUSE se destaca principalmente entre os aplicativos atualmente
utilizados, por apresentar propriedades que simplificam seu uso e o
tornam mais operacional, atravs de melhorias em sua interface grfica
facilitando a entrada e modificao de sries de dados, alm de contar em
sua estrutura com algoritmos para deteco de erros devido incoerncia
ou ausncia de dados ou parmetros.
Na verso atual, o aplicativo organizado em 13 mdulos para
simulao hidrolgica chuva-vazo, propagao do escoamento, da
qualidade da gua, transporte de sedimentos, simulao de sistemas em
tempo real, anlise estatstica dos dados de sada e ferramentas para
apresentao dos resultados.
O mdulo de propagao na rede (MOUSE HD) utiliza o esquema
implcito de seis pontos de Abbott & Ionescu para resoluo das
equaes do escoamento em uma dimenso e permite simulao de
redes multiplamente conectadas com nmero ilimitado de ns, canais e
condutos com vrias geometrias, escoamento sob presso, inverses de
fluxo, condutos com coeficiente de atrito varivel e efeitos de jusante,
alm de vertedores, orifcios, operao de conjunto de bombas e bacias
de deteno, com total integrao com o SIG. Permite simulao de
rotinas de qualidade da gua, transporte de sedimentos e simulao de
inundaes propagadas em duas dimenses atravs do MNT, por meio
da integrao com o aplicativo MIKE 21. O modelo ainda possui
ferramentas para redimensionamento automtico da rede e algoritmo de
tempo auto-adaptvel, utilizado para otimizao e acelerao do tempo
da simulao.
A transformao chuva-vazo pode ser feita atravs de 4 modelos, o
mtodo tempo-rea (modelo A), o modelo da onda cinemtica (modelo B),
o modelo reservatrio linear (modelos C1 e C2) e o hidrograma unitrio.
28
Adicionalmente, o mdulo RDII pode simular processos como degelo,
evapotranspirao, armazenamento superficial, sub-superficial e
subterrneo para simulaes contnuas de longo perodo. O mdulo
MOUSE TRAP para transporte de sedimentos inclui a simulao por 4
mtodos: Ackers-White, Engelund-Hansen, Engelund-Fredse e Van Rijn.
2.8.3.4.a. Algumas aplicaes do MOUSE
Mark et al (2001) utilizou o software MOUSE para avaliar a
aplicabilidade da modelagem do escoamento em uma dimenso integrada
ao SIG, na simulao dos alagamentos que ocorrem na cidade de Dhaka,
em Bangladesh. A cidade de Dhaka protegida das cheias do rio que a
circunda atravs de um dique. Na maior parte do perodo durante a
estao de mones, o nvel do rio atinge cotas superiores s da cidade.
Este fato tem implicaes drsticas na drenagem da rea, que depende
fundamentalmente da diferena de cota entre o nvel do rio e do sistema
de drenagem para transporte do escoamento superficial gerado na rea
urbana.
O objetivo principal dos autores foi primeiramente a simulao do
escoamento simultaneamente atravs da rede de condutos e ruas, numa
conexo bi-direcional. O objetivo secundrio foi demonstrar a aptido da
metodologia de aplicao, na reproduo dos efeitos causados pelas
inundaes que ocorreram no perodo de setembro e outubro de 1996.
As simulaes preliminares do estudo foram efetuadas utilizando
dados de precipitao observados no perodo de 16 a 19 de setembro de
1996. Os resultados obtidos pelos autores foram avaliados segundo
mapas de inundao em 3 dimenses gerados por rotinas de interpolao
do aplicativo integrado ao SIG. Comparaes entre os resultados das
simulaes com as melhores informaes disponveis de inundao da
cheia de setembro de 1996 mostraram que a metodologia aplicada no
trabalho produz bons resultados, e pode ser aplicada em reas com
29
problemas similares de inundao. Em etapas futuras sero avaliados os
dados necessrios para calibrao e verificao de modelos de
inundao urbana alm do efeito de processos como evaporao e
infiltrao no cenrio de inundaes.
Apirumanekul & Mark (2001) empregaram uma metodologia
semelhante anterior na mesma rea utilizando a integrao entre os
aplicativos MOUSE e MIKE11 GIS, este ltimo utilizado para otimizar o
procedimento de extrao de dados do MDT. Os objetivos principais
foram a avaliao dos resultados da simulao da cheia de setembro de
1996 na situao atual e com alternativas para soluo do problema de
inundaes, atravs da introduo de galerias, canais abertos e bombas
no sistema. A simulao dos cenrios permitiu avaliar a reduo da
profundidade e do tempo de permanncia do alagamento nas ruas. De
acordo com os resultados das simulaes, os nveis de inundao nas
principais ruas diminuram em mdia 27% e o tempo de permanncia em
mdia 26%.
Tomicic et al (1999) utilizou o aplicativo MOUSE em um estudo de
mitigao de alagamentos em Playa de Gandia, na regio costeira do mar
mediterrneo, na Provncia de Valncia na Espanha. A localidade de
Playa de Glandya tem aproximadamente 189 ha de rea intensivamente
urbanizada e drenada por complexo sistema de drenagem combinado,
com condies de drenagem gravitacional desfavorveis, incluindo
estaes de bombeamento que recalcam o esgoto para uma ETE. A
regio sofre com dois problemas principais: freqentes inundaes das
ruas da cidade e poluio das praias e da regio do porto, devido ao
transbordamento do CSO (Combined Sewer Overflow) nos perodos de
chuvas intensas. Conforme os autores, os alagamentos so decorrentes
exclusivamente do sub-dimensionamento da rede de drenagem, que nas
ruas atingem nveis superiores a 50 cm.
Para simulao do sistema a rea de 189 ha foi divida em 320 sub-
bacias, subdividas em reas que englobam as quadras e caladas e
30
reas correspondentes superfcie das ruas. O modelo de propagao do
escoamento foi construdo em duas camadas, compreendendo o
escoamento realizado nas ruas e na rede de condutos numa conexo bi-
direcional.
Como resultado das simulaes os autores identificaram uma srie
de medidas estruturais e operacionais necessrias ao sistema. A
introduo das estruturas nos cenrios simulados diminuiu
acentuadamente os nveis de inundao e o tempo de permanncia das
inundaes, especialmente na soluo completa.
Meller et al (2003) aplicou o modelo MOUSE em conjunto com o
modelo hidrolgico chuva-vazo IPH II em uma pequena bacia
hidrogrfica em Santa Maria-RS, com intuito de calibrar e avaliar dos
mdulos do aplicativo para 5 eventos que no superassem a capacidade
hidrulica de conduo da rede. Os autores obtiveram bons resultados na
calibrao, com coeficiente mdio de correlao maior que 0,91, e erros
mdios na vazo de pico e volumes calculados menores que 5 e 30%,
respectivamente.
2.9. Consideraes finais
De modo geral, se pode observar na reviso bibliogrfica o grande
av