ANÁLISE DO MODELO DE PREVISÃO DE ESTADOS HIDROLÓGICOS DA CIDADE DE SÃO PAULO

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1 ANÁLISE DO MODELO DE PREVISÃO DE ESTADOS HIDROLÓGICOS DA CIDADE DE SÃO PAULO Flávia Munhoso Gonçalves Departamento de Ciências Atmosféricas, IAG - USP flavia@saisp.cth.usp.br Mario Thadeu Leme de Barros Escola Politécnica da USP Av. Prof. Lúcio Martins Rodrigues, 120 CEP Cidade Universitária, São Paulo - SP mtbarros@usp.br Heloísa de Arruda Martins Pion Centro Tecnológico de Hidráulica CTH heloisa@cth.usp.br ABSTRACT The São Paulo Flood Warning System (SPFWS) operates in real time due to a telemetric network and a meteorological radar installed at Ponte Nova Dam, Upper Tiete river basin. SPWFS uses an empirical algorithm based on observed and forecasted rain in order to forecast flood events in different parts of São Paulo City. This paper aims to analyze this model using field flood data collected by São Paulo Traffic Engineering Company during 1998/1999 rainy season. The results show the necessity of some adjusts but in a broad sense the model performs very well. Many of the errors are due to the nowcasting model using in convective storms. RESUMO O Sistema de Alerta a Inundação de São Paulo (SAISP) opera em tempo real com uma rede telemétrica e um radar meteorológico, instalado na Barragem de Ponte Nova, cabeceira do rio Tietê. O SAISP utiliza um algoritmo empírico, com base em chuvas observadas e previstas, para prever sobre inundações em diferentes partes da cidade de São Paulo. Este trabalho objetiva analisar este modelo, utilizando dados de inundação, coletados pela Companhia de Engenharia e Tráfego no período chuvosa de 1998/1999. Os resultados mostram a necessidade de alguns ajustes, entretanto, de modo geral, o desempenho do modelo é muito bom. Muito dos erros observados se devem ao modelo de previsão de chuvas convectivas. 1 INTRODUÇÃO O alto índice de impermeabilização do solo das bacias urbanas, faz com que a água escoe rapidamente para a rede de drenagem, o que colabora para a situação de freqüentes inundações nos grandes centros. A ocupação desordenada das regiões propensas a inundações obriga a criação de sistemas de alerta e prevenção a inundações, visando amenizar os prejuízos e proteger a população destas áreas. Este é o objetivo do SAISP, que conta com uma importante fonte de dados, o radar meteorológico de São Paulo, instalado em Ponte Nova (Figura 1), pertencente ao Departamento de Águas e Energia Elétrica (DAEE), e operado pela Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH). Figura 1 Localização do radar meteorológico e sua área de abrangência 2027

2 O radar realiza varreduras em tempo-real a cada 5 minutos e os dados de chuva na área do radar são interpolados num nível de altura constante entre 1,5 e 18,0 Km de altura, numa área de 480x480 Km, com uma resolução de 2x2 Km 2, denominada quadrículas ou pixels. A cada varredura do radar, aciona-se 2 modelos de previsão: modelo de previsão de campos de precipitação para as 3 horas subsequentes, para tal, emprega-se um modelo do tipo extrapolação, puramente advectivo conhecido por modelo SHARP (Pereira Filho et al, 1996); modelo de previsão de estados hidrológicos paras diversas áreas da Cidade de São Paulo, nesse horizonte de previsão (Braga et al., 1992a); O modelo de previsão dos estados hidrológicos incorpora conceitos dos chamados sistemas especialistas, onde o conhecimento adquirido através da experiência anterior é traduzido num algoritmo empírico de decisão. Nesse sentido, o contínuo acompanhamento da performance do programa é fundamental para o aperfeiçoamento e validação dessas relações, frente aos novos eventos observados. Neste caso, avalia-se a performance do modelo MOPEH, no que se refere a alagamentos por insuficiência de microdrenagem, normalmente provocados por chuvas muito intensas, porém de curta duração e de caráter local. Na análise utilizaram-se eventos chuvosos ocorridos na cidade de São Paulo, registrados pelo radar meteorológico e coincidentes com registros de inundações da CET da Prefeitura do Município de São Paulo (PMSP). 2 MODELO DE PREVISÃO DOS ESTADOS HIDROLÓGICOS (MOPEH) O modelo MOPEH baseia-se exclusivamente em dados pluviométricos observados e previstos para caracterizar a situação próxima-futura em regiões de interesse previamente estabelecidas. Com a previsão através do modelo SHARP, são considerados 4 horizontes de previsão hidrológica, atribuindo, a cada um, prognóstico não interdependente para o estado da região. O primeiro horizonte corresponde ao intervalo de 30 min à frente, enquanto o segundo, o terceiro e o quarto horizontes correspondem, respectivamente, aos intervalos de 1, 2 e 3 horas à frente. Os estados hidrológicos possíveis em cada horizonte são assim definidos: NORMAL - Estado permanente de operação do sistema. A precipitação acumulada e a prevista não indicam a possibilidade de inundações. ATENÇÃO Valores de precipitação acumulada e prevista indicam alguma possibilidade de ocorrência de inundações. ALERTA - Valores de precipitação acumulada e prevista indicam grande possibilidade de inundações em pontos críticos. Verifica-se que, dadas as pequenas áreas das bacias contribuintes e a rapidez do processo, a previsão de alagamentos por insuficiência de microdrenagem depende menos do conhecimento das chuvas recém-ocorridas do que da correta previsão das chuvas no horizonte de interesse. Também decorre que a previsão deve ser feita individualmente por quadrícula do CAPPI, que comporta, aproximadamente, micro-bacias de até 4 km², e que o algoritmo deve ser bastante ágil e simples, compreendendo apenas comparações entre as intensidade das chuvas corrente e aquelas que habitualmente causam problemas locais. Como durações potencialmente críticas para o sistema de microdrenagem, foram adotadas chuvas de 10, 20 e 30 minutos. Como parâmetros de referência da capacidade de drenagem, foram adotadas chuvas de projeto entre 2 e 10 anos de período de retorno, dependendo da maior ou menor vulnerabilidade da quadrícula às chuvas intensas típicas da região. Sabe-se, pelas observações, que o alagamento por insuficiência de microdrenagem, pela falta de capacidade de bocas de lobo e de bueiros, depende pouco da chuva acumulada e mais da chuva corrente. Desta forma, a inferência do estado hidrológico futuro é feita pela simples comparação da intensidade da chuva prevista com as chuvas críticas, associadas ao período de retorno (Tr), que causam habitualmente inundações. 3 METODOLOGIA A análise da performance do MOPEH foi realizada pela comparação dos mapas produzidos pelo modelo, na ocasião do evento, com os registros da CET de pontos de inundação. Os dados de inundação contém para cada evento, localização da ocorrência, hora de início e término e gravidade. Esses pontos foram identificados nas quadrículas do radar. Elaborou-se, para cada evento, um mapa do município de São Paulo, com a malha do radar sobreposta, destacando-se as quadrículas onde houve inundação. Esses mapas foram comparados com os mapas gerados pelo MOPEH, para cada evento. 2028

3 Com objetivo de se ter um melhor entendimento do processo, para cada evento estudado, observou-se todo o período com chuva, escolheu-se a hora do momento de precipitação mais intensa sobre os locais afetados e verificou-se a precipitação acumulada na hora precedente. Para esses eventos, fez-se a simulação do modelo MOPEH para 3 horários diferentes, 60, 30 e 05 minutos antes da hora de chuva mais intensa. Para cada horário selecionaram-se os CAPPIs observados nessa hora e 10 minutos antes e geraram-se 18 CAPPIs previstos a cada 10 minutos (3 horas à frente), através do modelo de previsão de chuva SHARP. Cada arquivo de chuva observada, de chuva gerada e de previsão de estado hidrológicos pode ser gerado em forma de mapa, com indicações em cores ou em forma de matriz de números. No caso da precipitação, a matriz apresenta números de 1 (ausência de chuva) a 16. Cada número representa um intervalo de intensidade. No caso do MOPEH, a matriz apresenta os números 1 (observação), 10 (atenção) e 15 (alerta). A saída em forma de matriz é muito útil para análise precisa do modelo. Na figura 2, é apresentada a matriz gerada pelo MOPEH, com a imagem do município de São Paulo sobreposta. Figura 2 - Saída do modelo, na forma de matriz, com a imagem da cidade de São Paulo sobreposta e os números das quadrículas para facilitar a visualização. Por último, comparou-se o CAPPI observado com o CAPPI gerado pelo modelo SHARP para alguns horários, pois o bom desempenho do modelo de microdrenagem depende diretamente do modelo de previsão de chuva a curto prazo. 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO Durante a estação chuvosa de 1998/1999, ocorreram muitos eventos de chuva intensa com inundações na cidade de São Paulo. Entretanto serão apresentados dois dos casos mais importantes, os eventos do dia 26 de janeiro e dia 1º de março de No evento do dia 26/01/1999, o momento de chuva mais intensa observada pelo radar meteorológico foi às 16:22 horas (Figura 3). Segundo registros da CET, as inundações se iniciaram às 16:24h e duraram até às 18:14h (hora local) (Figura 4). 2029

4 Figura 3 CAPPI da Cidade de São Paulo às 16:22 horas. As cores indicam chuva e a tonalidade a intensidade da chuva (mm/h). Figura 4 Pontos de alagamentos registrados pela CET (das 16:24h às 18:14h) Geraram-se os arquivos gerados pelo MOPEH, com resultados para 60, 30 e 05 minutos de antecedência do horário de precipitação mais intensa: 2030

5 a) b) c) Figura 5 Mapas gerados pelo modelo de previsão de estados hidrológicos às 15:22h, 15:52h e 16:17h. a) b) c) Figura 6 Mesmos mapas da figura 5 indicando apenas as quadrículas onde houve registros de inundações. Analisando-se os resultados do modelo de previsão do estado hidrológico, observa-se que 60 minutos antes das 16:22hs o MOPEH alertou sobre os problemas na região sudoeste e centro, isto porque o modelo de previsão de chuva previu um deslocamento da precipitação intensa passando pela Marginal Pinheiros em direção ao centro, e não previu a evolução da precipitação sobre a Marginal Tietê, como mostra a figura 7. Figura 7 CAPPI gerado pelo modelo SHARP, às 17:52 horas, a partir do CAPPI observado das 15:22 horas (1 hora antes do momento de precipitação intensa) Observa-se que o mapa do MOPEH das 15:52h (figura 5b) apresenta estados de alerta e atenção somente em quadrículas na zona oeste. Consultando os registros da CET, verificou-se que os horários de início das 2031

6 inundações nessa região ocorreram por volta das 16:30h, ou seja, 40 minutos à frente. Os outros registros de pontos de inundação tiveram início mais tarde (mais de 1 hora) e, neste caso, o MOPEH não os previu, por deficiência da previsão do modelo SHARP. O mapa das 16:17h (figura 5c) já indica pontos de alagamento também na zona leste e centro. Esses pontos são mais numerosos do que os registrados pela CET. Outro evento importante foi o do dia 01/03/1999, onde ocorreu o alagamento no Túnel do Anhangabaú (a quadrícula do túnel está em destaque na figura 8). O início do alagamento no túnel, segundo a CET, foi por volta das 15:45h. No mapa de chuva acumulada (figura 9) verifica-se que já havia chovido bastante na região, e que às 15:22h (figura 8) a chuva ainda era muito intensa. Apesar do alagamento no túnel ser o mais lembrado, este dia foi marcado por muitos outros pontos de inundação. Figura 8 CAPPI do dia 1º de março, às 15:22h, com Figura 9 Chuva acumulada de 1 hora, das 14:22h às destaque para a Região do túnel do Anhangabaú. 15:22h A escala de cores está em mm. Figura 10 - Pontos de alagamentos, registrados pela CET das 15:19h às 18:07h. Geraram-se os mapas de previsão dos estados hidrológicos, para às 14:22h, 14:52h e 15:17h (60, 30 e 05 minutos, respectivamente, antes do horário de precipitação mais intensa) 2032

7 a) b) c) Figura 11 Mapas gerados pelo modelo de previsão de estados hidrológicos às 14:22h, 14:52h e 15:17h. a) b) c) Figura 12 - Mesmos mapas da figura 11 indicando apenas as quadrículas onde houve registros de inundações. Verifica-se, no mapa do MOPEH às 14:22h (figura 11a), poucos pontos em estados de alerta ou atenção. A previsão de estados hidrológicos para às 14:22h é para 3 horas à frente, ou seja, é a previsão válida para às 17:22 horas. Nessa previsão, utilizaram-se apenas dois CAPPIS, observados (14:12h e 14:22h). Ao analisar esses CAPPIs vê-se que ainda não havia chuva sobre a cidade de São Paulo. Já a partir dos 30 minutos de antecedência do horário de chuva mais intensa, o MOPEH alertou muitos dos pontos registrados pela CET, principalmente o túnel do Anhangabaú, que já aparecia em estado de alerta às 14:52h, quase 1 hora antes do problema ser verificado pela CET. Na figura 11c, o mapa de previsão dos estados hidrológicos é para os pontos de alagamento ocorridos entre às 15:17h até às 18:17h. Neste caso, o MOPEH acertou 78% dos pontos atingidos, com exceção de alguns pontos localizados na zona oeste. 5 COMENTÁRIOS FINAIS Ao longo deste trabalho, procurou-se verificar a realidade da previsão de estados hidrológicos críticos, feito pelo SAISP. Compararam-se dois eventos, ambos bastante intensos. A análise comparativa foi feita utilizando-se os dados de campo observados pela CET PMSP. Apesar de serem os únicos dados de campo disponíveis, os dados da CET não são precisos para fins hidrológicos e não cobrem todas as áreas monitoradas pelo SAISP. Entretanto, os resultados indicam uma boa performance do modelo MOPEH, principalmente para previsões com 30 minutos e 1 hora de antecedência. Caber destacar, por exemplo, a previsão para o Vale do Anhangabaú em 01/03/99. Tal resultado viabilizou um esquema especial de operação do túnel pela CET. A operação 99/2000 foi coroada de pleno êxito. Observou-se também que a performance do modelo SHARP não é boa, principalmente no início das precipitações convectivas, além disso, há necessidade de se rever os índices críticos de algumas áreas alagadas que surgiram no último período chuvoso, principalmente, por deficiência de drenagem. 2033

8 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BARROS, M.T.L, 1987 Previsão hidrológica de curto-prazo: modelo compacto ou distribuído? In: SIMP. Brasileiro de Hidrologia e recursos hídricos, 7 o, /e/ SIMP. LUSO-BRAS. de Hidráulica e Recursos Hídricos, 3 o, Salvador, BA., nov Anis. São Paulo, ABRH/APRH, v. 2, p BARROS, M.T.L., Carrera C.V.M. and Marcellini S.S., 1993 Previsão quantitativa de precipitação a curtíssimo prazo: o modelo SHARP fornece resultados satisfatórios? In: Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, 10º, ABRH, Gramado, R.S., Nov. Anais. Gramado, ABRH, 1993, v.3, p BARROS, M.T.L. and J.C.F., Palos, 1997 Análise de métodos hidrológicos empregados em projetos de drenagem urbana no Brasil, In: Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, 12º, ABRH, Vitória, E.S., Nov. Anais. Vitória, ABRH, 1997, v.3, p. BARROS, T.L.M., B.P.F. Braga and R.M.R. Jesus, 1998 A Flood Forecasting Model for São Paulo City : A New Approach, IV International Symposium on Hydrologic Applications of Weather Radar, San Diego, p. 77 BELLON A. and Austin G.L., (1978): The Evaluation of Two Years of Real-Time Operation of a Short-Term Precipitation Forecasting Procedure (SHARP). Journal of Applied Meteorology, Vo1.17, , December. BRAGA, B.P.F., M.T.L. Barros and L. Marcellini, 1992 a, São Paulo Flood Warning System: Integrating Different Levels of Data Quality and Availability, II International Symposium on Hydrological Applications of Weather Radars, Hannover, J4 BRAGA, B.P.F., M.T.L. Barros and L. Marcellini, 1992 b, A Stochastic-Conceptual Model for Real Time Flood Forecasting, II Internacional Symposium on Hydrological Applications os Weather Radars, Hannover, J4 PEREIRA, Filho., 1996 Mesoscale rainfall fields: analysis and hydro-meteorologic modeling. Ph. D. Dissertation. University of Oklahoma, 1996, 150p. PEREIRA, Filho., 1997 Sistema de Previsão Hidrometeorológica, In: Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, 12º, ABRH, Vitória, E.S., Nov. Anais. Vitória, ABRH, 1997, v.2, p Agradecimentos Os autores agradecem a FCTH pelo apoio na realização desse trabalho e a FAPESP pelo apoio financeiro dado ao primeiro autor (processo n.º 98/ ). 2034