BACIA DO RIO PARARANGABA (SÃO JOSÉ DOS CAMPOS SP): CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E IMPACTO DA URBANIZAÇÃO. Ingrid Neves Brandão Marlene Elias Ferreira

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1 BACIA DO RIO PARARANGABA (SÃO JOSÉ DOS CAMPOS SP): CARACTERÍSTICAS FÍSICAS E IMPACTO DA URBANIZAÇÃO Ingrid Neves Brandão Marlene Elias Ferreira Universidade do Vale do Paraíba (Univap), São José dos Campos SP. marlene@univap.br ABSTRACT The object of this study is the Pararangaba river basin, which belongs to the Paraíba do Sul river system and it is practically all located in the urban areas of São José dos Campos SP. In the first part of the study, the Pararangaba basin physiographic characteristics were estimated and analysed. The results indicate that this watershed is intrisically subject to floods. Besides, an evaluation of the hydrological urban impact was conducted (1985 versus 1996), using the SCS Synthetic Unit Hydrograph and a new formulation for calculating the concentration time as a function of the urban occupation (Germano el. al, 1998). The results show that in this period the peak runoff increased by about 37% and the concentration time decreased from about 9 hours (1985) to about 6 hours (1996). The follow-up of this study deals with the time interval criteria for the simultaneous measurements of rainfall and streamflow in the Pararangaba river, and it is presented elsewhere in these proceedingns (Ferreira & Brandão, 2000). INTRODUÇÃO São José dos Campos (SP) apresentou uma intensa urbanização nas últimas três décadas, principalmente em virtude da evolução de seu parque industrial (Diniz & Razavi, 1999). Esta alta taxa de urbanização e, sobretudo, a ocupação desordenada, os Planos Diretores deficientes e o descaso das autoridades locais no trato das questões hidrometeorológicas e geológicas, fizeram deste município palco freqüente de sérias calamidades que, além de causarem aos seus habitantes transtornos e perdas materiais, os submetem a riscos de doenças, acidentes e morte, particularmente durante o verão, quando é maior a incidência de chuvas intensas. Isto é corroborado por pesquisas recentes, como as realizadas por Serafim (1998) e Perrella (1999). A bacia do Rio Pararangaba (Figura 1), rio este que é afluente do rio Paraíba do Sul, é um dos setores de São José dos Campos que tem sido afetado por esta urbanização crescente e desordenada. Como resultado, tem sido significativa a expansão de áreas sujeitas à erosão (Serafim,1998) e à inundação (Perrella, 1999) nesta bacia. Visitas ao local, realizadas durante a realização do presente estudo, revelaram uma tendência de aumento da ocupação nas margens do Pararangaba e o descaso com o rio que em muitos trechos funciona como depósito de lixo e receptor direto de águas servidas. Assim sendo, o objetivo da primeira parte deste estudo foi melhor compreender o comportamento hidrológico da bacia do rio Pararangaba. Para tanto, foram determinadas as principais características físicas da bacia e foi realizado um estudo empírico para avaliar o impacto da urbanização (Brandão, 1999). Os resultados encontrados serviram de base para a elaboração da segunda parte do estudo, que trata do estabelecimento de critérios de amostragem temporal para a observação simultânea de chuva e vazão, como apresentado em outra parte destes anais por Ferreira & Brandão (2000). MATERIAL Para a realização deste trabalho, foram utilizadas cartas planialtiméricas do IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística), de 1973, na escala de 1: (São José dos Campos: folha SF-23-Y-D-II-1; Jacareí, folha SF-23-Y-D-II-3; e, Paraibuna, folha SF-23-Y-D-II-4) e dados sobre a evolução da mancha urbana na bacia do rio Pararangaba calculados por Serafim (1998). 1414

2 METODOLOGIAS E RESULTADOS Figura 1 - Localização da área de estudo. Fonte: Serafim (1998). DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA BACIA As cartas do IBGE foram empregadas para estimar, com base em metodologias convencionais (Villela & Mattos, Capítulo 2), uma série de características físicas da bacia do rio Pararangaba e do rio principal. Note-se que o posto fluviométrico do DAEE (Departamento de Água e Energia Elétrica, do Estado de São Paulo), de prefixo 2E-023, localizado no Pararangaba, operou continuamente de 1960 a 1988 e, a seguir, com muitas e longas interrupções, até 1993, quando as atividades foram encerradas. Como as observações fluviométricas do DAEE foram utilizadas na seqüência deste estudo (Ferreira & Brandão, 2000), informações relativas a este posto foram incluidas na Tabela 1. Uma análise qualitativa dos parâmetros físicos indica que, apesar de alongada, a bacia do Rio Pararangaba, por ser muito ramificada (e, conseqüentemente, bem drenada) e por apresentar um valor relativamente alto para os índices de declividade média dos seus terrenos, é intrinsicamente sujeita a inundações. Além disto, seu regime hidrológico é particularmente afetado pelos sistemas meteorológicos de mesoescala, em virtude do tamanho de sua área de drenagem. 1415

3 Tais resultados foram obtidos com base nas cartas do IBGE de Porém, os aspectos analisados não devem ter sofrido alterações significativas desde então, exceto, talvez, pela modificação da declividade dos terrenos em alguns trechos da bacia. Seja como for, a questão da atualização das cartas é fundamental para este tipo de levantamento, como apontado por diversos autores, entre eles Scofield & Margottini (1999). TABELA 1 Resumo das principais características físicas da bacia do Rio Pararangaba Bacia do Rio Pararangaba: Área de drenagem total (A): 73,20 km 2 * Área de drenagem até o posto fluviométrico do DAEE: 49,00 km 2 ** Coeficiente de compacidade (K c ): 1,43 Fator de forma (K f = ): 0,183 Ordem da bacia: 4 a ordem Densidade de drenagem (Dd = Lt 1 /A) = 3,95 km/km 2 Extensão média do escoamento superficial ( l ): 0,063 km Declividade média da bacia: 0,078 m/m Rio principal (Pararangaba): Elevação máxima: 820 m Elevação mínima: 540 m Comprimento total (L): 19,95 km Comprimento até o posto fluviométrico do DAEE: 12,9 km** Declividade S 1 : 0,01404 m/m Declividade S 2 : 0,00479 m/m Declividade S 3 : 0,00471 m/m Fonte: *Serafim (1998); **DAEE (1998) 1 Lt = comprimento total dos cursos d água IMPACTO DA URBANIZAÇÃO Cálculo do tempo de concentração e do tempo de pico A falta de observações simultâneas de chuva e vazão em intervalos de tempo que possibilitem estabelecer adequadamente o hidrograma em resposta a eventos de chuva é muito comum, sobretudo quando se trata de bacias de pequeno porte. A bacia do Pararangaba não foge à regra. As observações de responsabilidade do DAEE, acima mencionadas, eram feitas, na maior parte do período de operação ( ), apenas uma vez por dia. Esta falta de observações simultâneas tem motivado a concepção de metodologias empíricas para estimar os tempos caracteristicos do hidrograma tipo, especialmente o tempo de concentração e o tempo de pico (ver, por exemplo, Tucci (1997). Recentemente, Germano et al. (1998) realizaram um estudo no qual foram empregados dados hidrológicos (131 eventos com observações simultâneas de chuva e vazão) de 28 bacias urbanas localizadas em 6 cidades brasileiras (Porto Alegre-RS, Joinvile-SC, Curitiba-PR, São Carlos-SP, São Paulo-SP e Rio de Janeiro-RJ), cujas áreas drenagem variam entre 1,9 e 137,4 km 2. Destas, 60% são bacias com mais de 20% de áreas impermeáveis. A finalidade desse estudo foi a estimativa dos parâmetros de um modelo hidrológico precipitação-vazão (modelo IPH II). Segundo Germano et al. (1998), entre os resultados que apresentaram as melhores regressões está a seguinte expressão para o tempo de concentração: L 0,882 tc = 18, , (1) IMP 0,272 onde L é o comprimento do talvegue, em km, IMP é a porcentagem de área impermeável na bacia e tc é em minutos. 1416

4 A equação obtida por Germano et al. (1998) para o tempo de concentração foi particularmente útil para o presente estudo. Isto porque possibilitou, de modo simples e direto, fazer um avaliação preliminar do impacto da urbanização no regime hidrológico da bacia do Pararangaba utilizando os resultados de Serafim (1998) sobre a evolução da ocupação da bacia do Rio Pararangaba entre 1985 e Como mostra a Figura 2, a área urbanizada na bacia em questão passou de 6,2 para 21,2 km 2 no período. Figura 2 - Área urbanizada da bacia do Rio Pararangaba: (a) 1985; (b) 1991 e, (c) Fonte: Serafim (1998). 1417

5 Com base nos resultados de Serafim (1998), calculou-se IMP (relação entre a área urbanizada e a área total de drenagem, (73,20 km 2 ). Utilizou-se para o comprimento do talvegue o valor estimado para o comprimento do rio principal (Tabela 1), que é de 19,95 km. IMP(1985) = 0,085 = 8,5% (2) tc(1985) = 8,5 h (3) IMP(1996) = 0,290 = 29,0% (4) tc(1996) = 6,1 h (5) O tp (tempo de pico) pode ser estimado empiricamente empregando-se a fórmula (Tucci, 1997): Donde, tp = 0,6 tc (6) tp (1985) = 5,1 h (7) tp (1996) = 3,7 h (8) Hidrograma Unitário Sintético do SCS Como já mencionado, a falta de medições adequadas para o desenvolvimento e a aplicação de modelos de conversão de chuva em vazão como, por exemplo, o hidrograma unitário, estimulou o desenvolvimento de modelos estritamente empíricos e simples, que fazem uso das características físicas da bacia. O hidrograma unitário sintético (HUS) encontra-se entre os mais difundidos (Tucci, 1997). Para fins de avaliação do impacto da urbanização no regime hidrológico do Pararangaba, optou-se pelo HUS do SCS, também conhecido como HUS adimensional (Köpp & Paiva, 1993). O HUS do SCS é um hidrograma triangular. Por ser unitário, admite uma chuva unitária efetiva que recobre a bacia toda. Este volume de água é conduzido para o canal fluvial quando se transforma em vazão devida apenas ao escoamento superficial. Portanto, o hidrograma unitário simula a redistribuição temporal do volume da chuva, de acordo com o papel da bacia: captar a chuva em área (volume), concentrá-la nos leitos e fazê-la escoar através do exutório (ou de qualquer outra seção fluvial). Quando se trata de precipitação efetiva/escoamento superficial, o volume de chuva terá completamente escoado decorrido o tempo de base (tb). De acordo com Tucci (1997), para uma precipitação de 1 cm, sobre a área de drenagem, A, em km 2, tp em horas, a equação da vazão de pico é dada por: 2,08 A Qp = (9) tp Note-se, que nesta equação Qp é em m 3 /s. Adotou-se para a duração da precipitação (tr) um valor igual a 0,5 h. Para este HUS, tp é o tempo contado a partir do início da precipitação e deve ser calculado pela seguinte equação: onde tr e tc devem ser dados em horas. tp = tr/2 + 0,6tc, (10) 1418

6 O tempo entre o momento da ocorrência da vazão de pico e o fim do escoamento (te, em horas) é calculado por: O tempo de base (tb, em horas) Assim sendo, tem-se: te = 1,67tp (11) tb = tp + te (12) HUS/SCS da bacia do Rio Pararangaba em 1985: tc = 8,5 h tp = 0,5/2 + 0,6 x 8,5 = 5,4 h Qp = 28,4 m 3 /s te = 1,67 x 5,4 = 8,9 h tb = 5,4 + 8,9 = 14,5 h HUS/SCS da bacia do Rio Pararangaba em1996 tc = 6,1 h tp = 0,5/2 + 0,6 x 6,1 = 3,9 h Qp = 39,0 m 3 /s te = 1,67 x 5,4 = 6,5 h tb = 3,9 + 6,5 = 10,4 h Estes cálculos mostram o grande impacto que causou a crescimento da urbanização entre 1985 e 1996 na bacia do Pararangaba. A vazão de pico do HUS/SCS aumentou em cerca de 37%, o tempo de pico, em cerca de 24%, e, o tempo de base, em cerca de 28,3%, como ilustra a Figura ,9 Vazão (m 3 /s) ,8 2,7 3,6 Precipitação (mm) 10 4, Intervalos de tempo (horas) Precipitação Vazão Figura 3 - Hidrogramas Unitários Sintéticos (HUS) calculados pela metodologia do SCS para a bacia do Rio Pararangaba(São José dos Campos SP), para as situações de urbanização em 1985 e em

7 É correto que a abordagem adotada neste trabalho é simplificada. Não leva em conta muitos aspectos importantes, entre eles a influência da rugosidade dos terrenos e da declividade no cálculo do tempo de concentração (sobre a Equação 1, Germano et al. (1998) fazem o seguinte comentário: Era de se esperar que o tempo de concentração obtivesse boa correlação com a declividade.. Os resultados obtidos nas regressões não apresentaram melhor correlação com a declividade porque provavelmente, neste caso, o comprimento L e a área já explicam parte desta variável ). Além disso, adota-se uma forma simplificada para o hidrograma unitário, qual seja, a triangular. Cumpre notar que, o fator 2,08 do Método do SCS foi obtido com base em estudos de bacias americanas. O estudo de Köpp & Paiva (1993), sobre 12 pequenas bacias rurais situadas nos estados de São Paulo, Santa Catarina e Rio Grande do Sul, levaram a valores compreendidos entre 1,611 e 9,028 para este fator. Mas é a abordagem compatível com os dados disponíveis e com a finalidade da pesquisa. CONCLUSÕES Foi realizado um estudo para a determinação das principais características físicas da bacia do Rio Pararangaba. Os valores encontrados para o fator de forma e para o coeficiente de compacidade indicam que a bacia do Pararangaba não é muito sujeita a inundações devido à sua forma alongada. Porém, os índices de drenagem (densidade de drenagem, extensão média do escoamento superficial e ordem da bacia) indicam que a bacia do Pararangaba é muito bem drenada, o que concorre para a rápida concentração da água da chuva no leito dos rios. Isto, em conjunto com os valores encontrados para os índices de declividade e com o tamanho da bacia (seu porte a torna suscetível a fenômenos meteorológicos de mesoescala), faz do Rio Pararangaba uma área sujeita a inundações. Na seqüência, verificou-se o grande impacto da urbanização na bacia do Pararangaba entre 1985 e 1996, com base no Hidrograma Unitário Sintético do SCS e no crescimento da mancha urbana. Os resultados, a despeito da abordagem simplista, foram significativos: a vazão de pico aumentou em cerca de 37%, e o tempo de pico e o tempo de base diminuíram em cerca de 24% e de 28,3%, respectivamente. Note-se que os tempos de concentração estimados (cerca de 9 horas, em 1985, e cerca de 6 horas, em 1996), indicam que a resposta hidrológica da bacia está ficando cada vez mais rápida. Estes resultados corroboram aqueles encontrados por Perrella (1999), que caracteriza o médio Pararangaba como uma área que vem sendo cada vez mais sujeita a inundações. Trabalhos futuros contemplam instalação de equipamentos para a medição simultânea de chuva e vazão no Rio Pararangaba, possivelmente nas cercanias do antigo Posto do DAEE, e o desenvolvimento de modelos hidrometeorológicos mais realistas. Os dados obtidos pelo radar de São José dos Campos, cuja operação foi iniciada em no início de 2000, deverão ser incorporados a esses estudos. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRANDÃO, Ingrid Neves. Estudo hidrológico preliminar da bacia do Rio Pararangaba: características físicas, critério de amostragem temporal e impacto da urbanização. São José dos Campos, p. Trabalho de Final de Curso (Curso Técnico em Meteorologia) - Colégio Técnico Antonio Teixeira Fernandes/Fundação Valeparaibana de Ensino/Universidade do Vale do Paraíba. DEPARTAMENTO DE ÁGUAS E ENERGIA ELÉTRICA (DAEE-SP). Banco de dados fluviométricos para o Estado de São Paulo. São Paulo, DAEE/CTH, [CD ROM]. DINIZ, Clélio Campolina, RAZAVI, Mohamad. São José dos Campos and Campinas: state-anchored dynamos. In: MARKUSEN, Ann R. et al. (Org.). Second tier cities: rapid growth beyond the metropolis. University of Minnesota Press, P FERREIRA, Marlene Elias, BRANDÃO, Ingrid Neves. Bacia do Rio Pararangaba (São José dos Campos-SP): novos critérios de amostragem temporal para medições de chuva e vazão. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 11, 2000, Rio de Janeiro. Anais Rio de Janeiro, SBMET, [CD-ROM]. GERMANO Andréa, TUCCI Carlos E. M., SILVEIRA André L.L. da. Estimativa dos parâmetros do modelo IPH II para algumas bacias urbanas brasileiras. Revista Brasileira de Recursos Hídricos (Porto Alegre),v.3, n.4, p , out./dez

8 KÖPP, Luciana Marini, PAIVA, João Batista Dias de. Avaliação e adequação de métodos de determinação do hidrograma unitário sintético a pequenas bacias hidrográficas rurais. RBE Caderno de Recursos Hídricos, v.11, n.2, p , dez PERRELLA, Ana Catarina Farah. Estudo e localização das áreas de inundação em São José dos Campos SP, com base no atendimento pela Defesa Civil e na pluviometria regional, como subsídio ao Planejamento Urbano. São José dos Campos, p. Dissertação (Mestrado em Planejamento Urbano e Regional) Instuto de Pesquisa e Desenvolvimento, Universidade do Vale do Paraíba. SCOFIELD, R.A.; MARGOTTINI, C. Earth Observation Satellites for flood management and flash flood analysis and prediction. Space Forum, v.4, p SERAFIM, Carlos Roberto. Monitoramento do crescimento urbano em áreas de risco à erosão através de técnicas de sensoriamento remoto e geoprocessamento. São José dos Campos, p. Dissertação (Mestrado em Planejamento Urbano e Regional) - Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento, Universidade do Vale do Paraíba. TUCCI, Carlos E.M. Escoamento superficial. In: TUCCI, Carlos E.M. (Org.) Hidrologia: ciência e aplicação. 2.ed. Porto Alegre : Editora da Universidade: ABRH, 1997, p (Coleção ABRH de Recursos Hídricos, v.4). VILLELA, Swami M., MATTOS, Arthur. Hidrologia aplicada, São Paulo : McGraw-Hill do Brasil, p. 1421