APPLICATION OF HYDROLOGICAL MODEL SWMM ON URBAN STORMWATER MANAGEMENT: A CASE STUDY OF THE MORTO RIVER CATCHMENT, RIO DE JANEIRO.

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1 APLICAÇÃO DO AUTOCAD CIVIL 3D E DA FERRAMENTA STORM AND SANITARY ANALYSIS (SSA) NA GESTÃO DE RECURSOS HÍDRICOS: ESTUDO DE CASO DA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO MORTO, RIO DE JANEIRO. Daniele Pereira Batista Amaral 1* & Luciene Pimentel da Silva 2 & Paulo Luiz da Fonseca 3 & Dayana Martins Nunes 4 Resumo Os modelos computacionais constituem elemento importante na gestão das águas pluviais e no estudo de alternativas para os Projetos de Drenagem Urbana, sobretudo os relacionados a eventos extremos, como é o caso das inundações. O advento computacional e o aprimoramento de ferramentas de mapeamento permitem uma avaliação cada vez mais precisa da qualidade dos atributos necessários para alimentação dos modelos. Este trabalho apresenta os resultados da aplicação do AutoCAD Civil 3D aliado à interface integradora Storm and Sanitary Analysis (SSA) para simulação hidrológica e hidráulica da bacia hidrográfica do rio Morto, localizada em área peri-urbana na região de Jacarepaguá, município do Rio de Janeiro. Trata-se de uma região de baixada, que sofre com a ocorrência de inundações durante eventos de chuvas intensas. Para realização das simulações, optou-se por utilizar o módulo chuva-vazão do modelo Storm Water Management Model (SWMM), desenvolvido pela Agência de Proteção Ambiental Americana (EPA), amplamente difundido e utilizado na área de drenagem urbana. Palavras-Chave Simulação Hidrológica e Hidrodinâmica; SWMM; AutoCAD CIVIL 3D APPLICATION OF HYDROLOGICAL MODEL SWMM ON URBAN STORMWATER MANAGEMENT: A CASE STUDY OF THE MORTO RIVER CATCHMENT, RIO DE JANEIRO. Abstract Computer modeling is an important element in the water management and the study of alternatives for urban drainage design, especially those related to extreme events, such as floods. The computational advent and improvement of mapping tools allow an analysis increasingly precise of the attributes quality necessary to feed the models. This paper presents the results of the application of AutoCAD Civil 3D combined with integrated interface Storm and Sanitary Analysis (SSA) for hydrologic and hydraulic simulation of rio Morto river basin, located in periurban area in Jacarepaguá, city of Rio de Janeiro. It is a lowland region, which suffers with the occurrence of flooding during extreme rainfall events. To perform the simulations, it was used the rainfall-runoff module of the Storm Water Management Model (SWMM), developed by the US Environmental Protection Agency (EPA), widely spread and used in urban drainage. Keywords Hydrological and hydrodynamic simulation; SWMM; AutoCAD CIVIL 3D 1 Engenheira Civil do Instituto Estadual do Meio Ambiente, Msc pelo PEAMB/UERJ. danielepb1@gmail.com * Autor correspondente responsável pela submissão 2 Professora Adjunto do Departamento de Engenharia Sanitária e do Meio Ambiente, UERJ. luciene.pimenteldasilva@gmail.com. 3 Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Civil, Setor de Recursos Hídricos, UFF. pfonseca13@gmail.com. 4 Mestranda em Engenharia Ambiental pela Universidade do Estado do Rio de Janeiro PEAMB/UERJ. dayana.mnunes@gmail.com. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 1. INTRODUÇÃO A técnica de simulação permite a previsão do comportamento hidrológico de uma bacia hidrográfica diante de diferentes cenários climáticos e, de uso e ocupação dos solos. Entre outros, antecipando possíveis impactos das mudanças climáticas e do crescimento urbano nos recursos hídricos e, permitindo assim maior resiliência na gestão em situações de estresse hídrico. A evolução da representação conceitual dos processos hidrológicos nesses modelos e a maior disponibilidade de tecnologias de geoprocessamento permitem por um lado simulações mais realísticas, mas por outro, levam à necessidade de manipulação de uma maior quantidade de dados. Além disso, a aplicação desses modelos envolve a manipulação de diferentes bases de dados, com diferentes padrões de formato de arquivos. O pré-processamento dos dados até a efetiva aplicação do modelo não deve ser menosprezada e pode demandar bastante tempo. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo implementar e analisar a adequação do uso da ferramenta Storm and Sanitary Analysis (SSA) para efetuar a simulação hidrológicahidráulica da bacia hidrográfica do Rio Morto. O SSA é um software que foi incorporado ao pacote do AutoCAD Civil 3D para ser utilizado principalmente em análises e projetos de sistemas de manejo de águas pluviais urbanas e esgotamento sanitário. Possui interface amigável, podendo criar automaticamente gráficos, perfis e relatórios em diferentes formatos de arquivo. Dentre suas principais funcionalidades, destaca-se a integração com Sistemas de Informações Geográficas (SIG s). Trata-se de uma interface que integra diversos modelos hidrológicos e pode simular os escoamentos através dos métodos da Onda Cinemática ou do Modelo Hidrodinâmico. Neste trabalho foi escolhido o módulo chuva-vazão do modelo SWMM (Storm Water Management Model) para representação dos processos envolvidos no ciclo hidrológico da região em estudo. O SWMM é um modelo desenvolvido pela Agência de Proteção Ambiental Americana (EPA) (ROSSMAN, 2008) amplamente utilizado em várias partes do mundo para gestão dos recursos hídricos. Nas simulações foram adotadas a base cartográfica e os dados climatológicos e hidrológicos previamente observados no contexto do projeto HIDROCIDADES, Rede de Pesquisa BRUM/FINEP, na qual este estudo se insere. Este trabalho é produto de uma dissertação de mestrado, tratando-se de aplicação inédita deste modelo à área de drenagem da bacia do rio Morto. 2. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO A Bacia do rio Morto é contribuinte à bacia hidrográfica do canal de Sernambetiba e adjacente ao maciço da Pedra Branca, tendo o seu entorno, à jusante, caracterizado por áreas frágeis de baixada e tratando-se, ao mesmo tempo, de região de expansão urbana da cidade do Rio de Janeiro. Para efeito de captação de recursos da Prefeitura junto ao Governo Federal, de forma a implantar intervenções em sistemas de macrodrenagem, esta bacia está integrada ao Lote 3. Abrange uma área de drenagem de 9,41 km² até a seção de controle denominada Water Planet (Figura 1), por conta de sua localização logo a jusante do Parque de Águas local, e encontra-se integralmente no bairro de Vargem Grande, no extremo oeste da baixada de Jacarepaguá. O entorno desta região, à jusante, integrará área da futura Vila de Mídia para os Jogos Olímpicos de 2016, bem como estão sendo executadas intervenções de infraestrutura de transporte, tais como a implantação do Bus Rapid Transit - BRT Transcarioca e Transolímpica. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Figura 1 - Bacia Hidrográfica representativa e experimental do rio Morto (PIMENTEL DA SILVA et al., 2010 apud BATISTA AMARAL, 2014) 3. METODOLOGIA 3.1 Base cartográfica Conforme Batista Amaral (2014), a base cartográfica utilizada para o processamento do modelo foi obtida a partir de Rosa (2002) e Pimentel da Silva et al. (2010), tendo como referência a base do Instituto Pereira Passos (IPP) da Prefeitura da Cidade do Rio de Janeiro de 1999 na escala 1:10.000, assim como ortofotos originadas no mesmo levantamento e cedidas pelo IPP. Nesse caso, a bacia hidrográfica do rio Morto foi dividida em 43 sub-bacias (elemento de discretização espacial do modelo), de acordo com a topografia da região. 3.2 O AUTOCAD CIVIL 3D e o Storm and Sanitary Analysis (SSA) O AutoCAD Civil 3D é um software da linha AutoCAD, desenvolvida pela Autodesk, voltado para elaboração e análise de projetos nos mais diversos ramos da engenharia civil. As ferramentas do AutoCAD Civil 3D têm suporte a processos de Modelagem de Informação da Construção (BIM) e ajudam a reduzir o tempo necessário para projetar, analisar e implementar alterações. O Storm and Sanitary Analysis (SSA) é um software integrado ao pacote do AutoCAD Civil 3D que pode ser utilizado para análise hidrológica, hidráulica e qualidade da água de sistemas de drenagem urbana, sistemas de drenagem de rodovias e redes de esgoto. Dentre suas funcionalidades, destaca-se (AUTODESK, 2013): Troca direta de dados com os softwares AutoCAD Civil 3D e AutoCAD Map 3D ; Análise hidráulica de tubulações, rios e canais, pontes, bueiros etc; XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Suporte de redes de tamanho ilimitado; Comparação das condições de pré e pós-desenvolvimento; Análise e projeto de bacias de retenção e detenção; Análise de BMPs (Best Management Practices); Modelagem da qualidade da água; Saída gráfica sofisticada fornecendo mapas e perfis detalhados; Integração com SIGs (Sistemas de Informações Geográficas). Trata-se de uma interface integradora, que tem a capacidade de realizar simulações através dos seguintes modelos hidrológicos (dependendo da escolha do usuário): EPA SWMM 5.0 (também pode trocar informações com o XPSWMM); NRCS (SCS) TR-55; NRCS (SCS) TR-20; HEC-1; Método Racional; Método Racional Modificado; UK Método Racional modificado (Wallingford Procedure); Método Racional conforme Dekalb; Hidrograma unitário Santa Bárbara; Hidrograma unitário Delmarva; Simulação contínua de longo termo; Metodologia de Papadakis-Kazan. Quanto ao tempo de concentração, pode ser calculado através das seguintes metodologias: SCS TR-55, Carter, FAA, Kirpich, Onda cinemática, Eagleson, harris County, Papadakis-Kazan ou definido pelo usuário. A simulação hidráulica pode ser realizada através dos métodos da Onda cinemática ou método hidrodinâmico (ou seja, resolvendo as equações de Saint Venant). 3.3 Formação da base de Dados e processamento do modelo Neste trabalho, o AutoCAD CIVIL 3D foi utilizado para a formação da base de dados necessária aos processos de simulação. As informações topográficas foram importadas diretamente dos arquivos trabalhados em SIG por Rosa (2002). Utilizou-se essas informações para criar uma superfície 3D representativa do terreno da região em estudo (Modelo Digital de terreno MDT). Segundo Probert e Wedding (2008) apud Batista Amaral (2014) uma superfície no Civil 3D é construída com base em princípios matemáticos de geometria plana. Cada face de uma superfície baseia-se em três pontos que definem um plano. Cada um destes planos triangulares compartilha um lado com outro triângulo, e uma superfície contínua é assim construída. Esta metodologia é normalmente referida como uma rede irregular triangular - TIN, em inglês. Isso é feito com base na triangulação de Delaunay, significando que para qualquer ponto (x, y), pode haver apenas um único valor de elevação (z) dentro da superfície. A modelagem chuva-vazão foi efetuada através do SSA, optando-se por utilizar a metodologia do EPA SWMM para os estudos hidrológicos. O componente relativo ao escoamento superficial do SWMM opera com um conjunto de sub-bacias hidrográficas que recebem precipitações e geram escoamentos e cargas poluidoras. O modelo acompanha a evolução da quantidade e da qualidade do escoamento dentro de cada sub-bacia, assim como a vazão, a altura de XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 escoamento e a qualidade da água em cada tubulação e canal, durante um período de simulação composto por múltiplos intervalos de tempo (ROSSMAN, 2008). Uma característica importante do SSA é que os componentes do projeto podem ser importados diretamente de arquivos formato shapefile provenientes do ArcGIS (Sistema de Informacões Geográficas) ou de arquivos em formato CAD, o que não pode ser feito através do software SWMM 5.0 original da EPA. Desta forma, foram importados os arquivos shapefiles contendo a rede hidrográfica e as sub-bacias (Figura 2). Figura 1 - Importação da hidrografia e sub-bacias através de arquivos shapefile. Em geral, o software reconhece automaticamente as sub-bacias, cursos d'água (links) e sugere a localização dos nós (em cabeceiras de rio e junções de dois cursos d'água). Contudo é necessário definir nós intermediários que receberão a contribuição das sub-bacias. Uma limitação do modelo para análise de projetos de macrodrenagem é que a contribuição do escoamento superficial das subbacias só aflui nos cursos d água através dos nós. Daí a necessidade de definir um nó para cada subbacia. Os valores de precipitação foram inseridos através de séries temporais para intervalos de 5 minutos. Os dados utilizados são provenientes da estação pluvio-fluviométrica existente na bacia hidrográfica do rio Morto, instalada no âmbito do projeto HIDROCIDADES, que visa a conservação das águas em meio urbano e peri-urbanos por meio de atividades de pesquisa e ações de extensão universitária para o desenvolvimento urbano integrado à gestão sustentável dos recursos hídricos (PIMENTEL DA SILVA et. al., 2008). De modo análogo à precipitação, foram criadas séries temporais com os dados de evaporação, sendo que para estes foram consideradas as taxas diárias, calculadas pelo método Combinado de Penman (conforme SHUTTLEWORTH, 1992). Considerou-se também a existência de três aquíferos representativos de um conjunto de sub-bacias. Após inserir todos os elementos no modelo, foi analisada a atribuição do passo de tempo para propagação do fluxo. Como foi utilizado o modelo de propagação da Onda Dinâmica, que requer passo de tempo baixos, optou-se por um passo de tempo igual a 5 segundos, conforme Batista Amaral (2014). A metodologia de calibração baseou-se no ajuste dos parâmetros através do processo manual, por tentativa e erro, sem a utilização de algoritmos de otimização. Buscou-se a calibração dos parâmetros dos quais havia mais incertezas quanto aos seus valores. Foram adotados os períodos de junho e novembro de 2011 e março de Com relação à validação, optou-se por utilizar o XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 evento pluviométrico intenso e persistente ocorrido na Cidade do Rio de Janeiro em Abril de 2010, quando toda a cidade foi afetada por enchentes. No diagrama da Figura 3 é apresentado de forma simplificada os procedimentos necessários para formação da base de dados. A primeira etapa da modelagem é a especificação das opções do projeto. Aqui serão definidas as unidades de medida, o método hidrológico a ser utilizado (neste caso o SWMM), o método de cálculo da infiltração e do escoamento em canais (hidrodinâmico, cinemático e escoamento permanente). Estas opções poderão ser alteradas posteriormente. Importação da hidrografia e subbacias através de arquivos shapefile. Após importação, o modelo reconhece as sub-bacias, cursos d'água (links) e sugere a localização dos nós (em cabeceiras de rio e junções de dois cursos d'água). Neste ponto as bacias estão desconectadas da rede. Aqui deverá ser feita a ligação de cada sub-bacia a um nó receptor. Com o auxílio do MDT gerado no AutoCAD Civil 3D poderão ser obtidas as elevações de fundo dos nós e cursos d'água (links). As extensões dos links são computadas automaticamente após a importação. Definição de um ou mais pluviômetros e conexão destes com as sub-bacias. Cada sub-bacia poderá estar ligada a apenas um pluviômetro. Inserção dos dados de chuva e evaporação. Estes poderão ser inseridos através do item "Time Series", neste caso o software esboça automaticamente um gráfico tempo x valor. Estes dados poderão também ser fornecidos através de um arquivo externo. No objeto pluviômetro deverá ser definido como os dados de chuva serão fornecidos (série de dados ou arquivo externo), a série a ser utilizada ou o caminho do arquivo externo e as características dos dados de chuva (formato dos dados e intervalo). Definição do tipo de seção transversal dos links (canal ou tubulação). Já existem formatos pré-definidos e, para a opção canal, há a possibilidade de definir seções transversais irregulares (como é o caso de rios não canalizados) Definição das opções de análise, como o passo de tempo, data inicial e final para análise e se existem arquivos de interface externos. Com isso as simulações poderão ser iniciadas através da opção: "Perform Analysis" Figura 3 - Diagrama simplificado com os procedimentos para formação da base de dados e realização de simulação com o SSA. 4. APRESENTAÇÃO E ÁNALISE DOS RESULTADOS Os elementos gráficos desenvolvidos no ambiente do AutoCAD Civil 3D estão apresentados na Figura 4. A figura 4(a) apresenta a hidrografia da região e as sub-bacias definidas, ao fundo está representada a ortofoto. Foi gerada uma superfície 3D, equivalente ao Modelo Digital de Terreno (MDT) da bacia hidrográfica do rio Morto, esta pode ser visualizada na Figura 4(b). Através do MDT criado, foi possível determinar as propriedades dos elementos de drenagem (sub-bacias), tais como: área, perímetro, maior comprimento, declividade média e com o auxílio das ortofotos identificou-se visualmente as áreas permeáveis e impermeáveis. Foi possível também gerar seções transversais para os trechos onde não se dispunha desta informação. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Na Figura 5 é apresentada a bacia hidrográfica do rio Morto após o procedimento de importação das 43 sub-bacias, dos links e nós no SSA. Sobre esta base de dados foram executadas as simulações. (a) (b) Figura 4 Elementos gráficos produzidos no AutoCAD Civil 3D : (a) Hidrografia e sub-bacias; (b) Modelo Digital de Terreno (MDT) Figura 5 - Representação da bacia no SSA Um ponto importante a ser destacado é que o modelo SWMM, em sua interface original desenvolvido pela EPA, permite que alguns dispositivos LID (como pavimentos permeáveis, trincheiras de infiltração e reservatórios de águas pluviais) sejam facilmente inseridos nas subbacias. O mesmo não acontece com a interface SSA, por isso é necessário a utilização de artifícios para representar esses dispositivos no modelo. No caso dos reservatórios de águas pluviais, uma solução seria representar através de um único reservatório em cada sub-bacia a soma dos volumes dos reservatórios distribuídos. A figura 6 ilustra os hidrogramas de vazão observado e simulado para os meses de novembro de 2011 (calibração) e abril de 2010 (validação). XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 Calibração: Novembro Validação: Abril m³/s 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, m³/s 4,1 3,1 2,1 1,1 0, Vazão observada Vazão calculada Precipitação Vazão observada Precipitação Vazão calculada Figura 6 Hidrograma de vazões calculadas e observadas (calibração e validação) 5. CONCLUSÕES Através deste trabalho foi possível validar o uso do conjunto AutoCad Civil 3D e a extensão Storm and Sanitary Analysis SSA para processamento do SWMM na bacia hidrográfica do rio Morto. Destaca-se que há na literatura mundial poucos trabalhos disponíveis onde utilizou-se estas ferramentas para realização de modelagem hidrológica-hidráulica, com vistas à gestão de recursos hídricos. Com o auxílio do AutoCAD Civil 3D obteve-se a geração de elementos gráficos, como o Modelo Digital de Terreno (MDT) e algumas seções transversais. A bacia hidrográfica foi dividida em 43 sub-bacias e as propriedades de cada uma foram preliminarmente levantadas, ou estimadas, com o auxílio do MDT e de Ortofotos obtidas para o local. O SSA demonstrou ser uma ferramenta bastante robusta, de interface amigável, possibilitando sobretudo a integração CAD e SIG, facilidade não disponível na versão original do SWMM desenvolvida pela US EPA. Contudo, identificou-se uma limitação do SSA, que não possui integrado em seu código a opção de atribuir explicitamente dispositivos BMP s, como pavimentos permeáveis, trincheiras de infiltração e reservatórios de águas pluviais às sub-bacias, função disponível na versão original do SWMM. Como resultado das simulações, observou-se que o modelo representou de forma adequada o regime chuva-vazão da bacia em estudo. Desta forma, através da simulação de cenários, poderá ser avaliado o comportamento hidrológico-hidráulico da bacia, visando a definição de medidas estruturais, estruturantes e políticas públicas para gestão dos recursos hídricos. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Autodesk. Storm and Sanitary Analysis User s Guide: Autodesk, 2013 Batista Amaral, Daniele Pereira. Aplicação do Modelo Hidrológico SWMM na Gestão das Águas Pluviais Urbanas: Estudo de Caso da Bacia Hidrográfica do Rio Morto, Rio de Janeiro. Dissertação de Mestrado - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Pimentel da Silva, Luciene [et al.]. HIDROCIDADES - Cities, Quality of Life and Water Resources: Integrated Water Resources Management and Urban Planning for Low-Land Region of Jacarepaguá, Rio de Janeiro, Brazil. In: International Congress on Urban Drainage, 2008, Edinburgh. 11th ICUD., Rosa, Ezer Urpia. Desenvolvimento de Procedimentos Computacionais para Integração de Sistemas de Informação Geográfica com Modelo Hidrológico Chuva-Vazão em Bacias Urbanas. Dissertação (Mestrado em Engenharia da Computação) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Rossman, L. A. SWMM 5: User s Manual. - Cincinnati, OH : Environmental Protection Agency, Shuttleworth, J. Evaporation. Chapter 4 of the Handbook of Hydrology. D. Maidment, Ed., McGraw-Hill, Inc., New York, XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8