Uso do geoprocessamento no cálculo do tempo de concentração da água da chuva em ambientes urbanos

Transcrição

1 Uso do geoprocessamento no cálculo do tempo de concentração da água da chuva em ambientes urbanos Gabriela Nogueira Ferreira da Silva 1 José Vicente Granato de Araújo 1 1 Universidade Federal de Goiás - UFG/EEC, Programa de pós-graduação em Engenharia do Meio Ambiente - PPGEMA Praça Universitária s/n, Setor Universitário CEP gabriela.nfs@gmail.com; jvgranato@yahoo.com Abstract. This research sought to develop a methodology to assist in studies of urban drainage, using geoprocessing and remote sensing techniques, considering geographical and geomorphological elements, especially in basins with limited hydrological data of rainfall and runoff. In order to develop this work, it was used data provided by the City of Goiânia which were stored in a geographic database. The use of this information within a Geographic Information System (GIS) environment with the help of computational routines in Visual Basic Language (VBA) integrated with a GIS allowed the characterization of the area of study, allowing the estimation of the speed and time per pixel, the creation of time-area histograms and the estimation time of concentration for the scenario of land use and occupation. Analyses of results showed the high rate of soil waterproofing and urbanization, the velocity and time of concentration. Data generated using the proposed methodology indicated time of concentration in the study area 4.7 hours. The methodology proposed in this paper is efficient for estimate the time of concentration in basins with limited hydrologic data. The results can be used in hydrologic modeling with the intention of assisting in the prevention of floods. Palavras-chave: urban drainage, GIS, modeling hydrologic, remote sensing, drenagem urbana, SIG, modelagem hidrológica, remote sensing. 1. Introdução A World Urbanization Prospection, publicado pela Organização das Nações Unidas (ONU) em 2011, apontou que 29,4% da população mundial viviam em áreas urbanas em 1950 e que em 2010 esse proporção saltou para 51,6%. No Brasil a população classificada como urbana em 1950 era de 36%, sendo que esse valor chegou a 84% em 2010 (IBGE, 2010). De fato, embora positivo em determinados aspectos, uma vez que nenhum país na era industrial conseguiu atingir um desenvolvimento econômico significativo sem a urbanização, o processo de aumento da parcela urbana sobre a rural vem influenciando negativamente os recursos hídricos superficiais e subterrâneos. Sheng e Wilson (2009) apontam que entre as conseqüências da urbanização que afetam os recursos hídricos, pode-se citar o aumento da superfície impermeável que interfere diretamente no escoamento superficial, aumentando a sua velocidade e diminuindo seu tempo de concentração podendo causar enchentes e inundações que frequentemente resultam em perdas (materiais e humanas). Frente a este quadro de problemas decorrentes da impermeabilização do solo urbano, estudos de drenagem em seu sentido mais amplo, abrangendo medidas estruturais (obras de engenharia implantadas para reduzir o risco de enchentes) e não estruturais (de caráter preventivo), constituem ferramentas para o planejamento e a gestão eficaz dos recursos hídricos nesses ambientes (TUCCI, 2009). A estimativa da velocidade de escoamento superficial e do tempo de concentração, ou seja, o tempo necessário para que toda a bacia hidrográfica esteja contribuindo com a água sobre ela precipitada, são parâmetros muito importantes no estudo do comportamento hidrológico de uma bacia, podendo ser utilizados em estudos de modelagem hidrológica, auxiliando na compreensão do impacto que a impermeabilização do solo pode causar no escoamento superficial. Com a proposta de estudar o comportamento da água da chuva que escoa superficialmente em áreas urbanas e tomando a bacia hidrográfica como unidade de estudo, 4390

2 este trabalho busca uma forma automatizada, por meio do uso de ferramentas de geoprocessamento, para calcular o tempo de translação da água da chuva em ambientes urbanos a partir de dados geográficos e geomorfológicos (caracterização física da bacia). O recorte geográfico escolhido foi a bacia hidrográfica do córrego Botafogo, localizada na cidade de Goiânia, estado de Goiás, tendo em vista que esta área possui um córrego canalizado, e altas taxas de impermeabilização e verticalização. A referida área apresenta alguns problemas em detrimento do mau uso do solo e dos recursos hídricos como, por exemplo, pontos de alagamento identificados pelo Zoneamento Ecológico do município. A bacia também é parte integrante de um projeto que estuda o comportamento hidrológico do córrego Botafogo com o objetivo de aprimoramento do Plano Diretor de Drenagem Urbana do município. 2 Metodologia do Trabalho Para a estimativa do tempo de concentração da bacia hidrográfica do córrego Botafogo inicialmente foi montando um banco de dados com a Ortofoto e o Modelo Digital de Terreno (MDT) da cidade de Goiânia. A primeira foi obtida por meio do levantamento aéreo realizado em 2006 e possui exatidão gráfica classe A para a escala de 1:5000. O MDT, por sua vez, foi gerado a partir de informações sobre a altimetria extraídos do próprio conjunto de ortofotos digitais do município, com resolução espacial de 4,8m. Após a montagem do banco de dados foi delimitada a área da bacia e feita a classificação da ortofoto de Goiânia a fim de se obter o mapa de uso e ocupação da terra para a área de estudo. Para esta etapa foi utilizado o software Spring versão 5.1.7, onde a imagem foi segmentada (utilizando limiares de 40 para similaridade e 30 para área de pixels) e classificada utilizando o classificador ISOSEG. Após a classificação, processo que nem sempre é totalmente preciso (devido a confusão espectral dos alvos) o arquivo em formato raster foi transformado em arquivo vetorial e passou por um processo de edição visando minimizar os erros encontrados. A imagem então foi reclassificada em: grama, vegetação arbórea, drenagem canalizada, drenagem natural e área impermeabilizada. A partir desses dados procederam-se os cálculos necessários para a somatória dos tempos de translação. Para isso foi calculada, em ambiente SIG, a estimativa das velocidades e tempo de escoamento em cada pixel. Essa última informação, por sua vez, foi utilizada como dado de entrada para a somatória dos tempos de translação que careceu da adaptação de uma rotina de programação que somasse esses tempos pixel a pixel de acordo com o caminho preferencial da água obtido pela direção de fluxo. Para o cálculo da velocidade de escoamento em cada pixel foi necessário utilizar o mapa de uso da terra, no qual foi atribuído a cada classe um valor considerado como coeficiente de aptidão de escoamento da superfície (definido nesta pesquisa como k) e a declividade gerada a partir do MDT. Os valores de k para cada classe estão descritos na Tabela 1. Para grama e vegetação arbórea estes coeficientes foram obtidos com base na tabela do Soil Conservation Service (1975), as drenagens e a área impermeabilizada tiveram seus valores de k extraídos a partir da equação de Manning e Izzard/Manning respectivamente. A estimativa da velocidade foi feita através de álgebra de mapas (arquivos matriciais) com a utilização da fórmula descrita na Equação 1. Para os lagos foi adotada uma velocidade de 0,01 m/s. (1) 4391

3 onde: V = velocidade de escoamento no pixel (m/s); k = coeficiente de aptidão de escoamento da superfície (adimensional); S = declividade dada em porcentagem (%). Tabela 1- Coeficientes utilizados na pesquisa. Uso do Solo/ Corpos hídricos Coeficiente (k) Área Impermeabilizada 10,7 Vegetação Arbórea 0,076 Grama 0,216 Drenagem canalizada 48,2 Drenagem natural 27,3 A estimativa da velocidade de escoamento para cada cenário possibilitou o cálculo do tempo por pixel e do tempo de translação de cada célula até o exutório da bacia. O primeiro tempo foi resultado da álgebra de mapas, por meio da divisão entre o mapa contendo os valores com a distância percorrida em cada pixel com o mapa de velocidades gerado na etapa anterior. Como o SIG utilizado na geração e manipulação dos dados não possui uma ferramenta que calcule automaticamente a soma dos tempos que cada célula leva para percorrer toda a bacia até o exutório, foi criada uma rotina de programação através do Visual Basic Editor integrado ao Arcgis versão 9.3 para realizar esse cálculo. Para isso foi utilizada como base o código da rotina desenvolvida por Maziero (2010) que foi adaptado e transferido para rodar inteiramente no ArcGis, de forma que o processo do cálculo do tempo de translação fosse realizado de forma totalmente automatizado e em plataforma de SIG. Como resultado tem-se um arquivo com os valores da somatória dos tempos das trajetórias oriundas de cada pixel, o que possibilita a geração de um mapa com os tempos de translação de cada célula. O maior tempo de translação encontrado correspondeu ao tempo de concentração da bacia. 3. Resultados e Discussão O recorte geográfico escolhido para a aplicação da metodologia desenvolvida nesta pesquisa foi uma porção da bacia do córrego Botafogo (Figura 1) que é uma sub-bacia do Ribeirão Anicuns e está localizada na macrozona construída do município de Goiânia, capital do estado de Goiás. Com ponto de exutório situado nas coordenadas ,21 Sul e 49º39 40,71 Oeste, a área de estudo está inserida na zona urbana do município de Goiânia, possui uma área de aproximadamente 20 km 2, perímetro de 26,6 km e abrange 29 bairros da capital. Com sua nascente no Jardim Botânico, o córrego Botafogo percorre 10,2 km até o exutório sendo que 6 km deste total encontram-se canalizados, correspondendo a 58,8% de sua extensão. A partir dos dados extraídos a partir do mapa de uso e ocupação da terra podese observar a alta taxa de impermeabilização do solo que é de 68,2% e que as áreas permeáveis (grama e vegetação arbórea) somadas correspondem a 31,2% da área total da bacia. 4392

4 Figura 1 - Mapa de localização da bacia do córrego Botafogo. A espacialização dos tempos de translação (Figura 2) de cada célula possibilitou a criação do mapa de translação e seu respectivo histograma tempo área que é a base para a elaboração de hidrogramas (gráficos que relacionam vazão no tempo). O maior tempo de translação foi considerado como sendo o tempo de concentração (t c ) da área de estudo. Dessa forma, o tempo de concentração para esta porção da bacia hidrográfica do córrego Botafogo é de 4,7 horas. 4393

5 Tempo Figura 2: Mapa de tempo de translação da água da chuva. 4394

6 4. Considerações finais O presente trabalho objetivou a criação de uma metodologia para a somatória dos tempos que a água da chuva leva para percorrer cada pixel de uma determinada bacia hidrográfica com o auxílio de técnicas de geoprocessamento e sensoriamento remoto, através de elementos geográficos e geomorfológicos adequados para uso em bacias com dados hidrológicos limitados. A manipulação e análise desses dados em ambiente SIG possibilitaram obter informações necessárias para a criação de hidrogramas que buscam contribuir para a ampliação de conhecimentos em relação aos recursos hídricos em áreas urbanas. Uma contribuição desse estudo refere-se à inserção da caracterização da área de estudo (relevo, declividade, geomorfologia e outros) nas análises hidrológicas. As ferramentas de geoprocessamento e sensoriamento remoto utilizadas, permitiram o desenvolvimento de uma metodologia que automatizou os cálculos de tempos de translação e proporcionou a obtenção de estimativas mais precisas de tempos de concentração em bacias urbanas que não possuem registros hidrológicos abrangentes. O estudo do escoamento superficial na bacia do córrego Botafogo em Goiânia-Goiás, através da metodologia mencionada neste trabalho constitui em uma ferramenta com potencial para realizar a estimativa de parâmetros hidrológicos em bacias urbanas que ainda não possuem registros hidrológicos, visando à modelagem para estudos de drenagem. Tendo em vista o grande volume de dados gerados é notória a importância do uso do geoprocessamento como técnica de aquisição e manipulação de dados, automatizando o processamento dos mesmos e reduzindo o tempo gasto nas análises. Agradecimentos Este trabalho foi desenvolvido com o apoio financeiro da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Capes. Referências IBGE. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística. Censo Disponível em: Acesso em: 20 abr MAZIERO, E. Histograma tempo/área geoprocessado: uso em modelo chuva-vazão concentrado f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) Universidade Federal de Santa Maria. Rio Grande do Sul ONU. Organização das Naçoes Unidas. World Urbanization Prospects: the 2011 revision. [S.l.], p Disponível em: Acesso em: 10 jun TUCCI, C. E. M. Controle de Enchentes. In: Tucci, Carlos E. M. (Org.). Hidrologia: Ciência e Aplicação. Rio Grande do Sul: UFGRS Editora, p SHENG, J. F.; WILSON, J. Watershed urbanization and changing flood behavior across the Los Angeles metropolitan region. Natural Hazards [S.I.], v. 48, n. 1, p , Jan