BridgeSpot 2012_v.1.2

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1 BridgeSpot 2012_v.1.2 Programa para delimitação de bacias, cálculo de características topológicas, hidrológicas e hidráulicas para projetos de pontes e bueiros MANUAL DO USUÁRIO Eng. Dante Gama Larentis Porto Alegre, setembro de

2 ÍNDICE 1. Introdução Motivação Estrutura do programa Arquivos de entrada Executando o BridgeSpot Arquivos de saída...9 Anexo I Descrição teórica I.A. Módulo de caracterização do terreno I.B. Módulo hidrológico chuva-vazão I.C. Módulo de cálculo hidráulico 2

3 1. Introdução Em estudos de obras lineares, como ferrovias e rodovias, do ponto de vista de hidrologia, o principal, ou ao menos o mais básico aspecto a ser tratado é a drenagem, composta pelas travessias dos corpos d água por meio de bueiros ou pontes. Em um único projeto, dependendo da região e do trecho, podem haver centenas de travessias. A identificação das intercessões da obra com a drenagem na cartografia disponível, delimitação das bacias e a estimativa de características físicas do terreno podem, por si só, ser uma tarefa desgastante com uma grande demanda de homens-hora. Adicionando a isso, o cálculo das vazões em cada bacia e dimensionamento de bueiros, o problema normalmente exige mais de uma ferramenta para sua resolução, tornando bastante complexo o fluxo de informação em uma equipe de trabalho. Técnicas de geoprocessamento aplicadas a recursos hídricos têm sido intensamente utilizadas em anos recentes, como na delimitação de bacias, traçado da rede de drenagem e extração de suas características físicas com base no Modelo Numérico do Terreno (MNT). Em outra frente estão as ferramentas de hidrologia e hidráulica, como os procedimentos de análise estatística de chuvas extremas, cálculo de hietograma de projeto, modelos tipo chuva-vazão, hidrogramas unitários e planilhas de dimensionamento de bueiros em função das vazões de projeto Motivação Na etapa de concepção ou mesmo projeto básico de uma rodo/ferrovia, há uma faixa de terreno em que o traçado inicial é concebido. Esta faixa de terreno tem sua topografia detalhada por meio de restituição aerofotogramétrica e o traçado lançado pode ser corrigido inúmeras vezes em função do aporte de informação de cada disciplina envolvida (geometria, terraplenagem, geotecnia, drenagem,...). Desta forma, deverá haver uma necessidade de integração ou articulação entre diferentes equipes para que se estabeleça um fluxo de informação entre as disciplinas. 3

4 Uma vez que as características hidrográficas e hidrológicas da região são de grande importância para a definição do traçado e greide do projeto, há uma grande necessidade de interação entre estas disciplinas. Uma variação no traçado ocasiona uma redefinição de áreas de drenagem contribuintes para o trecho e, consequentemente uma demanda de redimensionamento dos dispositivos de drenagem. Por outro lado, a validação de um traçado depende, dentre outros aspectos, do resultado do dimensionamento das travessias, configurando um processo iterativo. Com base neste contexto, surgiu a demanda por uma ferramenta que permitisse um pré-dimensionamento de drenagem, possibilitando ao projetista do traçado certo grau de flexibilidade e independência na tomada de decisões, dentro de uma determinada faixa de terreno Estrutura do programa O BridgeSpot é um programa computacional para integração de um modelo de tratamento de informação espacial de elevação do terreno com um modelo hidrológico do tipo chuva-vazão para localização e dimensionamento hidráulico de bueiros e pontes. O programa está estruturado em três módulos: Físico: extrai características físicas da bacia e rede de drenagem; Hidrológico: calcula vazões no exutório de cada bacia; Hidráulico: atribui uma obra hidráulica de travessia para cada seção. A preparação dos dados básicos para utilização do programa é realizada em ArcGIS, com o preenchimento de falhas do MNT e geração de mapas de direção e acumulação de fluxo. Os mapas, exportados em formato ASCII são lidos pelo programa. Cada módulo está em uma sub-rotina independente chamada pelo programa principal. Cada módulo requer diferentes informações vetoriais para funcionar, introduzidas manualmente ou em forma tabular, por meio de arquivos texto. O programa gera como produto final, além de uma série de relatórios (memórias de cálculo) um mapa em formato ASCII com as bacias e uma tabela em formato texto com as características calculadas de cada bacia definida por um exutório. 4

5 2. Arquivos de entrada Todos os arquivos de entrada do programa são do tipo texto, em formato ASCII (.asc), podendo ser abertos para visualização e edição (quando for o caso) com qualquer aplicativo de texto do MS Windows, como Wordpad ou Bloco de notas, ou mesmo com Word ou Excel. Há dois tipos básicos de dados a serem lidos pelo programa: vetoriais (tabelas): contém linhas, que são o número de entradas para um determinado arquivo e colunas, que são os campos, ou características de cada entrada. Podem ou não ter cabeçalho; tipo raster (matrizes): contém necessariamente um cabeçalho (no formato do Export raster to ASCII, do ArcGIS) com as informações espaciais (número de linhas, colunas, resolução do pixel, coordenadas do retângulo envolvente e definição do valor nulo) e a matriz com os dados (um valor para cada pixel). Os arquivos vetoriais são: bridgespot_parametros.asc: neste arquivo são informadas as áreas de drenagem (limites) que definem a utilização de cada método e cálculo hidrológico e os parâmetros do método HUT (ver Anexo I). É necessário apenas para o módulo de cálculo hidrológico; bridgespot_exutvec.asc: contém as coordenadas dos exutórios e os valores médios de C e CN para cada um deles. Tem um cabeçalho de uma linha composto por um único número inteiro informando o número de linhas (exutórios) a serem lidas. É necessário apenas quando a informação de exutório não é introduzida por arquivo raster; bridgespot_idf.asc: contém a informação das curvas Intensidade- Duração-Frequencia, com as coordenadas do retângulo envolvente da região de validade de cada estação e os coeficientes da equação IDF. Possui três linhas de cabeçalho, sendo que a primeira é um número inteiro com o numero de linhas (equações IDF) a serem lidas; C_remap_table.asc: contém a informação de reclassificação da combinação de mapas de uso do solo e solos para valores de C (runoff), conforme utilizado pelo método Racional. Possui duas 5

6 linhas de cabeçalho, sendo a primeira um número inteiro com o número de linhas a serem lidas. Necessário para execução do módulo hidrológico, caso valores de C não sejam fornecidos em forma tabular ou manualmente; CN_remap_table.asc: contém a informação de reclassificação da combinação de mapas de uso do solo e solos para valores de CN, conforme utilizado pelo método do SCS. Possui duas linhas de cabeçalho, sendo a primeira um número inteiro com o número de linhas a serem lidas. Necessário para execução do módulo hidrológico, caso valores de CN não sejam fornecidos em forma tabular ou manualmente; bridgespot_culspec.asc: contém uma lista de tipo de bueiro com as respectivas capacidades(em m³/s) para situação livre e afogado e o custo unitário (R$/m). Possui duas linhas de cabeçalho, sendo a primeira um número inteiro com o número de linhas (tipos de bueiros) a serem lidas. É necessário apenas para execução do módulo hidráulico. Os arquivos tipo raster são: mnt.asc (obrigatório): contém a informação de elevação do terreno. É o arquivo que define a resolução espacial com que se irá processar a maior parte da informação do projeto; dir.asc (obrigatório): contém a informação de direção de fluxo, derivada do MNT. Deve ter a mesma informação especial (cabeçalho) do mnt.asc; areaacu.asc (obrigatório): contém a informação de acumulação de área de drenagem, derivada do MNT. Deve ter a mesma informação especial (cabeçalho) do mnt.asc; exutorio.asc: contém a posição de exutórios de bacias no terreno. Não necessita ter as mesmas características espaciais do MNT, no entanto, é recomendável que tenha resolução (tamanho do pixel) aproximada. Este arquivo pode ser exportado do ArcGIS, depois de ser gerado através da ferramenta Extract by point, disponível na extensão Spatial Analyst. drenagem.asc: contém a drenagem principal da área de interesse marcada com valor maior que 0 (normalmente igual a 1); landcover.asc: contém a informação de uso do solo classificada da seguinte forma (exemplo): o 100 urbano o 200 rural 6

7 o 300 agrícola o 400 solo exposto o 500 pastagem o 600 banhado o etc. (até o código 900 no máximo) pedologia.asc: contém a informação de pedologia já interpretada conforme metodologia do SCS, classificada por grupo hidrológico de solo e combinações: o 1 A o 2 B o 3 C o 4 D o 5 A/B o 6 B/C o 7 A(B) o 8 B(C) o 9 C(D) o 10 A-B-C o etc. (até o código 99 no máximo) Os arquivos pedologia.asc e landcover.asc são necessários para executar os módulo físico, hidrológico e hidráulico e dispensáveis apenas quando a informação de C e CN tenha sido introduzida manualmente ou via tabela (arquivo bridgespot_exutvec.asc). Estes arquivos são processados pelo programa de forma que a soma deles em um determinado pixel resulte em um código que permite que o pixel seja reclassificado com um valor de C (para uso com o método Racional) e CN (para o método do SCS), com base nas tabelas informadas pelos arquivos C_remap_table.asc e CN_remap_table.asc. Por exemplo: agrícola (xxx) + A(B) (xx) = xxx, resulta em um C de 0.xx e um CN de XX. 3. Executando o BridgeSpot Para a execução do programa todos os arquivos de entrada que serão utilizados devem estar na raiz da mesma pasta em que se encontra o executável BridgeSpot.exe. Com um duplo clique no executável, a tela DOS de interface do Fortran abre. 7

8 São imediatamente apresentadas na tela as informações espaciais do projeto, lidas do cabeçalho do arquivo mnt.asc e a solicitação para definição da opção da rodada: 1. Rodar apenas físico: executa o programa apenas até a etapa de delimitação de bacia e cálculo de características físicas do sistema (comprimento e declividade talvegue, área da bacia, tempo de concentração, runoff médio (C) e CN médio); 2. Rodar apenas hidrológico e hidráulico: executa as etapas de cálculo de hidrogramas de projeto, vazões máximas e dimensionamento de bueiros. Nesta opção, é necessário que a opção anterior tenha sido rodada anteriormente para que exista na pasta um arquivo (topoude1.asc) com a informação das características físicas das bacias. É com base na informação contida neste arquivo vetorial que os cálculos prosseguirão, não sendo mais necessário, nesta etapa, os arquivos raster; 3. Rodar todos os módulos: executa todo o programa em sequência. Uma vez entrada a opção, é solicitada a informação de se o projeto está em em um sistema de coordenadas UTM, com Datum horizontal SAD 69, ou em coordenadas geográficas (Latlong), com Datum horizontal WGS 84. Esta informação deve estar de acordo com o cabeçalho do arquivo MNT, apresentado na tela. A próxima solicitação é a da forma de entrada da informação dos exutórios: 1. Entrar arquivo raster: utilizado normalmente quando se processa uma grande área e/ou um grande número de exutórios. Os pontos devem estar contidos no arquivo raster exutorio.asc; 2. Entrar arquivo texto: utilizado para entrar a informação via um arquivo tabular (bridgespot_exutvec.asc), o que ocorre no caso de as coordenadas terem sido levantadas no GoogleEarth, AutoCAD, ou mesmo no ArcGIS e anotadas forma de tabela; 3. Entrar manualmente: esta opção permite a entrada de apenas um exutório por vez, diretamente na interface (tela) do Fortran, útil no caso de uma ou poucas bacias. Caso adotada, haverá posteriormente a solicitação da entrada das coordenadas X e Y. A próxima pergunta é se existe uma drenagem principal no projeto. Esta opção pode ser adotada quando há necessidade de utilização da 8

9 ferramenta de snap incluída no programa, nos casos em que se deseja entrar coordenadas com pouca precisão, garantindo que o exutório esteja sempre sobre uma rede de drenagem de referência (aquela traçada com base no MDT utilizado). Em seguida o programa lê os arquivos de entrada e procede aos cálculos. Qualquer erro de leitura ou processamento ocasionará o fechamento da interface sem aviso prévio e o programa deverá ser executado novamente. 4. Arquivos de saída Da mesma forma que as entradas, os arquivos de saída são vetoriais e raster tipo ASCII. A execução do módulo físico gera dois arquivos de saída: topoude1.asc: arquivo em forma tabular tipo texto contendo características físicas das bacias nos seguintes campos: ID da bacia; coordenada X; coordenada Y; área da bacia (ha); comprimento do rio (m); desnível (m); declividade (m/m); tempo de concentração (min); coeficiente de runoff (C); coeficiente CN. Este arquivo pode ser aberto pelo MS Excel para melhor visualização; bacias.asc: arquivo raster com a matriz que define cada bacia definida por um exutório. Serve para visualização espacial das bacias quando importado no ArcGIS, através do Import ASCII to Raster, no menu Conversion tools. Com a execução dos módulos hidrológico e hidráulico são gerados outros dois arquivos, ambos tabulares: topoude2.asc: arquivo contendo as informações do topoude1, mais as vazões de projeto para diferentes tempo de retorno na seção transversal definida pelo exutório de cada bacia; topoude3.asc: arquivo contendo as informações do topoude2, mais a informação do tipo de bueiro (ou a indicação de ponte) a ser adotado em cada seção. 9

10 ANEXO I DESCRIÇÃO TEÓRICA I.A. Módulo de caracterização do terreno O programa necessita de 3 informações topológicas para rodar: Modelo digital do terreno (MDT) Mapa de direções de fluxo Mapa de acumulação de fluxo O Modelo Digital do Terreno (MDT) do SRTM com 3 arcos de grau (pixel de aproximadamente 90x90 metros) pode ser baixado no site da Embrapa (Brasil em Relevo): Inicialmente o MDT deve ser corrigido, utilizando o comando fill sinks. Os mapas de direção e acumulação de fluxo podem ser obtidos a partir do MDT corrigido. Sugere-se utilizar as ferramentas disponíveis no Spatial Analyst do ArcGIS, conforme ilustrado abaixo. Usando o ESRI ArcGIS Spatial Analyst Tools, menu Hydrology: MDT corrigido Direções de fluxo Acumulação de fluxo ? Os 3 mapas (MDT corrigido, direções de fluxo, fluxo acumulado) devem ser exportados usando o menu Convertion Tools, Raster to ASCII, com os nomes descritos no manual de usuário. Outros softwares poderiam ser usados para tratar a informação espacial, no entanto, o programa está preparado para ler apenas o formato de ASCII exportado do ArcGIS, conforme descrito acima. 10

11 I.B. Módulo hidrológico chuva-vazão De acordo com os limites de área de drenagem (A, em Km²) estabelecidos no arquivo bridgespot_parametros.asc, a vazão de pico é calculada pelas seguintes metodologias. Método Racional (A Limite1) A vazão de projeto obtida pelo método Racional segue a seguinte equação: Q = 0,278 C.I.A onde Q é descarga de projeto, em m³/s; C é o coeficiente adimensional de escoamento superficial (runoff); I é a intensidade média da precipitação sobre a bacia; A é a área de bacia drenada, em km²; 0,278 é o fator de conversão de unidades. O tempo de duração crítica da tormenta que gera a vazão de projeto é igual ao tempo de concentração da bacia. O cálculo do tempo de concentração é definido por t c 3 0 L,95 = H 0,385 onde t c é o tempo de concentração, em horas; L é o comprimento do talvegue, em Km; H é o desnível do talvegue principal desde a cabeceira até o exutório, em metros. Os valores de L e H são calculados pelo programa com base no MDT, descontando o comprimento do rio referente a 10% da área da bacia (desde de o divisor de águas). Método Racional Modificado (Limite 1 < A Limite2) Q = 0,278 C.I.A σ onde σ é o coeficiente de retardo, adimensional. O valor do coeficiente de retardo é adotado como 0,90 no programa. Método do Hidrograma Unitário Triangular (HUT) (A > Limite2) 11

12 A representação do hidrograma, preconizados na teoria do hidrograma triangular sintético do U.S. Soil Conservation Service (SCS), para uma altura pluviométrica de 1 mm, é ilustrada na figura abaixo. 3 Q (m /s) t Qp Tp Tr t(h) Tb Esquema de representação do hidrograma do método HUT Os parâmetros do modelo do SCS são expressos matematicamente por: Tempo de pico (h): tp = D/2+ tr Tempo de retardo (h): tr = (1/FArma).tc Duração unitária (h): Du ou t = (1/nDiv).tc Tempo de base (h): tb = 2,67.tp Vazão de pico (m³/s/mm): Qp = 0,278.Faten.A/tp Os valore dos parâmetros FArma (fator de armazenamento), ndiv (número de divisões do hidrograma unitário) e Faten (fator de atenuação do pico) são introduzidos através do arquivo bridgespot_parametros.asc. O hidrograma de projeto é obtido pela equação de convolução: t Qt = Pe i q t 1 i= j onde Qt é a vazão (m³/s) no tempo t (horas); Pe é a precipitação efetiva (mm) no intervalo i e q é a ordenada do hidrograma unitário (m³/s/mm). i+ 12

13 A precipitação efetiva Pe (mm) é obtida com base na fórmula proposta pelo US Soil Conservation Service, que, com suas unidades ajustadas ao sistema métrico, apresenta a seguinte forma: Pe = ( P (5080 / CN 50,80)) P+ (20320 / CN 203,2) 2 onde P é a precipitação para uma duração D (mm); CN é o número de deflúvio representativo para o complexo hidrológico solo-vegetação, de acordo com as tabelas do método do SCS. A vazão de projeto é equivalente à vazão máxima (pico) do hidrograma resultante da convolução. I.C. Módulo de cálculo hidráulico A capacidade máxima de cada bueiro está definida no arquivo bridgespot_culspec.asc, de acordo com o método da declividade crítica para controle de montante. Os valores podem ser alterados no arquivo caso o usuário utilize outra metodologia de cálculo. São utilizados apenas os bueiros que tem status = 1. Critérios de dimensionamento: Testa bueiro livre p/ vazão do TR = 25 anos Testa bueiro afogado p/ vazão do TR = 50 anos Se capacidade do maior bueiro disponível não passar por qualquer um, é especificado ponte. Se não, se passar nos dois, é o bueiro de menor preço por metro linear, conforme arquivo bridgespot_culspec.asc. Apesar de a relação de valores entre bueiros não variar consideravelmente, os valores devem ser revisados e atualizados pelo usuário. 13