Hidrogramas de Enchente Através dos Métodos Colorado Urban Hydrograph Procedure e Muskingun-Cunge - Estudo da Bacia do Arroio Olarias em Ponta Grossa

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1 Hidrogramas de Enchente Através dos Métodos Colorado Urban Hydrograph Procedure e Muskingun-Cunge - Estudo da Bacia do Arroio Olarias em Ponta Grossa Alceu Gomes de Andrade Filho 1, Marcos Rogério Széliga 2, Karen Juliana do Amaral 3, Élcio Rodrigues dos Santos Junior 4 Universidade Estadual de Ponta Grossa Departamento de Engenharia Civil Núcleo de Estudos em Meio Ambiente - NUCLEAM Praça Santos Andrade s/n Ponta Grossa, Paraná, Brasil RESUMO O estudo do comportamento das enchentes nas bacias urbanas é de grande importância na hidrologia, tendo em vista o grande crescimento experimentado pelos centros urbanos no país, observando-se um agravamento progressivo dos problemas causados pelas inundações em áreas de grande valor econômico, prejudicando em muitos casos a fluidez do tráfego e o desenvolvimento normal das atividades comerciais e industriais nas áreas afetadas. A bacia urbana do arroio de Olarias, situada no Município de Ponta Grossa, Estado do Paraná, Brasil, objeto de estudo dentro de um programa maior que envolve planejamento urbano integrado, conta com sua área parcialmente urbanizada, apresentando condições ideais para eventuais propostas de implantação de um sistema de controle e monitoramento. As características físicas da bacia estudada foram levantadas a partir dos mapas das reconstituições aerofotogramétricas, por geoprocessamento, complementadas por informações de campo e dados de precipitação. Foram desenvolvidas aplicações do Método Colorado Urban Hydrograph Procedure CUHP, combinado com estudos de com utilização do Método de Muskingun-Cunge, para obtenção dos hidrogramas de enchente, sendo estudadas várias seções, de montante para jusante, avaliando-se o comportamento das respostas da bacia com e sem. 1. INTRODUÇÃO O desenvolvimento urbano acelerado observado no país nas últimas décadas, tem gerado como consequência vários problemas a serem equacionados pelos técnicos e comunidades. A drenagem urbana ocupa papel relevante no rol de dificuldades enfrentadas pelas cidades, uma vez que a experiência tem demonstrado que não basta a boa vontade dos técnicos em buscar soluções urbanísticas, a questão de ocupação das várzeas dos rios é muito mais complexa. Número 11, 2001 Engenharia Civil UM 59

2 As enchentes estão se tornando cada vez mais frequentes, demonstrando que muita coisa precisa ser feita no sentido de prevenção, mitigação e conscientização[tucci,1993]. Os mecanismos de prevenção são muitos, principalmente no período precedente à ocupação da bacia, destacando-se a preservação da mata ciliar, das faixas de alagamento naturais e adequado projecto de urbanização. No que se refere ao projecto de urbanização, a sua aplicação prática no dia a dia da comunidade, deve ser precedida de um esforço muito grande de preparação da administração pública, para conter a especulação imobiliária e o assentamento, muita vezes irregular, de famílias de baixa renda nas várzeas urbanas[tucci et al., 1995]. Enfim, a ocupação urbana deve contemplar mecanismos de compensação de seus efeitos sobre o meio ambiente, tanto nos aspectos qualitativos quanto quantitativos das enchentes. Os estudos deste trabalho foram desenvolvidos na Bacia do Arroio de Olarias, situada no Município de Ponta Grossa, encontrando-se parcialmente urbanizada, como parte de uma linha de pesquisa em bacias urbanas. O Município de Ponta Grossa é coberto por uma única estação meteorológica completa, estando incorporada dentro da área de varredura e sistema dedicado de processamento do radar meteorológico do Sistema Meteorológico do Paraná SIMEPAR, em operação a cerca de dois anos. Os dados disponíveis para realização dos estudos são representados por dados físicos, oriundos do mapeamento digitalizado da área da bacia hidrográfica, dados da estação meteorológica de Ponta Grossa, não dispondo de dados de vazão do arroio. A bacia em estudo foi subdividida em sub-bacias, para possibilitar sua análise sendo aplicado o Método Colorado Urban Hydrograph Procedure CUHP [DENVER REGIONAL COUNCIL OR GOVERNMENTS, 1984] para obtenção dos hidrogramas unitários e de enchente. Este método é adequado a obtenção de hidrogramas de resposta para bacias urbanas em que não se dispõe séries de dados de vazão, inferindo-se o comportamento de respostas a partir dos dados físicos correlacionados com dados de precipitação. Para se avaliar os efeitos de armazenamento na calha principal do arroio e sua influência sobre os valores de pico dos hidrogramas de enchente. Foram desenvolvidos também estudos de de enchente com auxílio do Método de Muskingun-Cunge [CUNGE, 1969; RAMOS et al., 1989], e, realizadas comparações dos resultados obtidos. Os resultados apresentados compreendem a fase inicial dos estudos que envolveram também avaliação de viabilidade técnica para implantação de rede telemétrica de observação para possibilitar o registro em tempo real de informações de vazão em várias secções da bacia e subbacias. Após essa fase, pretende-se monitorar o comportamento da bacia, realizando comparações com os dados obtidos através do CUHP e MUSKINGUN-CUNGE, avaliando-se seus erros e desvios, permitindo aplicar modelos mais completos suportados pelo banco de dados com informações confiáveis. 2. METODOLOGIA 1 - Subdivisão da bacia hidrográfica: A bacia do Arroio de Olarias tem hectares, e foi subdividida de acordo com suas correntes formadoras, em sub-bacias e sub-trechos; 60 Engenharia Civil UM Número 11, 2001

3 2 - Obtenção da precipitação efetiva: O nível de abordagem dos estudos de precipitação foi de macrodrenagem, com período de retorno de 100(cem) anos, utilizando-se a relação intensidade - duração - frequência, obtida por FENDRICH [1998] para a cidade de Ponta Grossa contando com uma série de 37 anos de dados de precipitação. onde: 0, ,39Tr i = (1) 0,893 ( t + 21) i = intensidade de precipitação (mm/h) Tr = período de retorno (anos) t = duração do evento (minutos) Os quadros de precipitação efetiva foram obtidos através dos procedimentos recomendados pelo CETESB [1986], encontrando-se detalhados em AMARAL et al. [1998]; 3 - Obtenção dos Hidrogramas Unitários: Os hidrogramas unitários das subbacias foram calculados de acordo com a metodologia do CUHP [DENVER REGIONAL COUNCIL OR GOVERNMENTS, 1984] e CETESB [1986], posteriormente detalhados em AMARAL et al. [1998]; 4 - Estudos de de enchentes: Aplicado o Método de Muskingun-Cunge [CUNGE, 1969; RAMOS et al., 1989], nos estudos de de enchentes através da calha principal do arroio, considerando o coeficiente de Manning, as declividades dos diversos trechos e larguras de calha obtidas a partir de informações de campo; 5 - Traçado dos hidrogramas de enchente pelo Método CUHP, para todas as seções sem considerar os efeitos de ; 6 - Traçado dos hidrogramas de enchente, considerando os efeitos de de montante para jusante, na calha principal, compondo com os hidrogramas parciais obtidos pelo CUHP; 7 - Comparações entre os resultados obtidos. 3. RESULTADOS A ocupação do solo da bacia hidrográfica utilizada na modelação corresponde à situação actual, não se fazendo diferenciação entre estágios de ocupação no desenvolvimento dos cálculos em cada uma das metodologias utilizadas. Número 11, 2001 Engenharia Civil UM 61

4 Conforme pode ser observado na figura 1, a bacia do arroio de Olarias encontra-se parcialmente urbanizada, notando-se que as principais nascentes estão dentro da malha urbana da cidade de Ponta Grossa. A bacia foi subdividida em vinte e uma partes, compreendendo quinze sub-bacias com suas linhas d água e seis subdivisões na calha principal do arroio. A aplicação comparativa dos métodos utilizados teve como principal motivo possibilitar a avaliação do comportamento dos hidrogramas de resposta de acordo com a complexidade das linhas d água formadoras do escoamento e seus tempos de percurso, desde as nascentes para jusante, até a foz do arroio[santos Jor et al., 1999]. Tabela 1 Precipitações efetivas obtidas para as sub-bacias 2, 5, 6, 8, 10, 10-a e 10-b Tempo Sub-bacias (min) a, b 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 5,0 0,0 0,0 0,0 10,0 0,2 0,1 0,2 0,3 0,1 0,2 15,0 1,0 0,7 0,9 20,0 1,7 1,2 1,6 2,0 1,1 2,2 25,0 4,0 3,6 3,9 30,0 8,5 8,4 8,5 7,6 7,0 12,2 35,0 16,4 16,4 16,4 40,0 11,5 11,4 11,5 27,9 27,8 27,8 45,0 6,6 6,5 6,5 50,0 4,2 4,1 4,2 14,9 14,7 10,7 55,0 2,9 2,8 2,9 60,0 2,5 2,4 2,5 6,3 6,0 5,3 65,0 2,1 2,0 2,1 70,0 1,6 1,5 1,6 3,3 3,0 3,6 75,0 1,4 1,3 1,4 80,0 1,1 1,0 1,0 2,5 2,2 2,3 85,0 0,9 0,8 0,9 90,0 0,8 0,7 0,8 1,4 1,1 1,7 95,0 0,7 0,6 0,7 100,0 0,6 0,5 0,6 1,0 0,8 1,3 105,0 0,6 0,4 0,5 110,0 0,5 0,4 0,5 0,8 0,5 0,9 115,0 0,4 0,3 0,4 120,0 0,4 0,3 0,3 0,6 0,4 0,6 Totais (mm) 70,8 67,6 69,8 68,5 64,7 68,7 62 Engenharia Civil UM Número 11, 2001

5 Na tabela 1 estão representados os hietogramas de precipitação efectiva, de acordo com metodologia proposta para o método CUHP, especificada pelo CETESB[1986], sendo calculados os valores por sub-bacia, a partir das condições de campo de cada uma. Os valores de precipitação foram estimados pela equação (1), para período de retorno de 100 anos, e intervalos de tempo de 5 minutos, até atingir 120 minutos. Os incrementos naturais para cada intervalo foram arranjados, sendo no passo seguinte obtida a fração de precipitação da área permeável e posteriormente a fração relativa à área impermeável, sendo somadas para obtenção da precipitação efetiva resultante. Os valores obtidos nos hidrogramas resultantes apresentados, mostram discrepâncias entre os valores calculados diretamente pelo Método CUHP, e aqueles correspondentes à transferência dos hidrogramas das seções de montante para jusante considerando-se a pelo Método Muskingun-Cunge. Nas situações em que houve aumento no valor de vazão máxima pode-se inferir que o armazenamento real ao longo do canal do rio é muito pequeno, insuficiente para promover o amortecimento ou redução do pico de cheia, pelo contrário, em função da elevada declividade no trecho específico, ainda contribui para ampliar o pico de enchente. Essa constatação é importante, uma vez que na condição normal de aplicação dos modelos de Hidrogramas Unitários Sintéticos, considera-se a declividade média do canal a montante da seção de estudo para avaliar o tempo de retardamento. Em outras situações observou-se o contrário, isto é, quando foi reduzida a declividade do canal o hidrograma começou a apresentar defasagem no tempo de retardamento e simultaneamente redução nos valores máximos de vazão. Na parte inicial da bacia observou-se que as vazões não apresentam defasagem, e nem tampouco diferenças em relação às situações de cálculo adoptadas, conforme se nota na figura 2 que representa o hidrograma resultante da do hidrograma de enchente da secção [1] para a secção [2], composto com o hidrograma da área incremental da sub-bacia [2]; Mais a jusante, no trecho médio do rio, notou-se a amplificação dos picos de vazão, com pouquíssima defasagem temporal, e significativas diferenças nos valores máximos, conforme se observa na figura 2 que o hidrograma resultante da de enchente das secções [2], [3] e [4], para a secção [5], composto com o hidrograma da área incremental da sub-bacia [5]; Na sequência, ainda na figura 2 está representado o hidrograma resultante da de enchente da secção [5] para a secção [6], composto com o hidrograma da área incremental da sub-bacia [6], notando-se a amplificação de pico e o aparecimento de defasagem no tempo de resposta; Na figura 3 está representado o hidrograma resultante da de enchente das secções [6] e [7] para a secção [8], composto com o hidrograma da área incremental da sub-bacia [8], acentuando-se mais o efeito de defasagem de pico, permanecendo a amplificação do mesmo; Mais adiante está representado o hidrograma resultante da de enchente das secções [8], [9], [11] e [14] para a secção [10a], composto com o hidrograma da área incremental da sub-bacia [10a], notando-se o predomínio da defasagem no tempo de pico, percebendo-se atenuação da vazão máxima; Na sequência, ainda na figura 3 está representado o hidrograma resultante da de enchente das secções [10a], [12], [13], [15] e [16] para a secção [10b], composto com o Número 11, 2001 Engenharia Civil UM 63

6 hidrograma da área incremental da sub-bacia [10b], observando-se o aumento na defasagem do tempo de pico como factor preponderante, com significativa atenuação no valor máximo de vazão; Figura 1 Planta Geral do Arroio Olarias em Ponta Grossa Pr, com indicação das sub-bacias (Ai, i = 1,19). 64 Engenharia Civil UM Número 11, 2001

7 Figura 2 Hidrogramas de resposta nas seções 2, 5 e 6. Os hidrogramas propagados foram obtidos pelo Método Muskingun-Cunge e os hidrogramas sem pelo método CUHP. Número 11, 2001 Engenharia Civil UM 65

8 HIDROGRAMAS DA SUB-BACIA Q (m HIDROGRAMAS DA SUB-BACIA Q (m HIDROGRAMAS DA SUB-BACIA Q (m³/s) Figuras 3 Hidrogramas de resposta nas secções 8, 10a e 10b. Os hidrogramas propagados foram obtidos pelo Método Muskingun-Cunge e os hidrogramas sem pelo método CUHP. 66 Engenharia Civil UM Número 11, 2001

9 HIDROGRAMAS DA SUB-BACIA 8 Q (m³/s) HIDROGRAMAS DA SUB-BACIA 10a 25 Q (m³/s) HIDROGRAMAS DA SUB-BACIA 10b Q (m³/s) Figura 4 Hidrograma resultante na seção 10. Os hidrogramas propagados foram obtidos pelo Método Muskingun-Cunge e os hidrogramas sem pelo método CUHP Na figura 4 está representado o hidrograma resultante da de enchente das seções [10b], [18] e [19] para a seção [10], composto com o hidrograma da área incremental da Número 11, 2001 Engenharia Civil UM 67

10 HIDROGRAMAS DA SUB-BACIA Q (m³/s) sub-bacia [10], onde se pode observar o aumento na defasagem do tempo de pico, com boa redução na vazão máxima calculada. 4. CONCLUSÕES O trabalho teve como principal objectivo apresentar os resultados de uma análise desenvolvida em uma bacia urbana em estágio de ocupação parcial, evoluindo esse processo a partir dos divisores de água, identificando-se as correntes formadoras em cada sub-bacia. A análise pretendeu demonstrar a influência da extensão e forma de rede de drenagem natural na avaliação dos hidrogramas de resposta, onde se aplicou o CUHP para o talvegue principal a montante da seção de estudo, numa primeira etapa dos estudos, em seguida, aplicou-se o Método de MUSKINGUN-CUNGE, que leva em conta os efeitos de e armazenamento na bacia, avaliando-se o comportamento das vazões resultantes nessa Segunda etapa da investigação. Através do estudo de pode-se notar que os hidrogramas resultantes apresentaram muitas vezes mais de um ponto de vazão máxima, demonstrando que a utilização de modelo de cálculo que conduzem a um único pico nem sempre conduzem a resultados satisfatórios, principalmente quando a rede de drenagem se torna mais complexa, o que se verificou nas seções de estudo situadas mais a jusante. Espera-se que essas conclusões venham subsidiar estudos de outros autores em bacias de médio porte com redes de drenagem complexas. Outra informação importante é que nas seções de jusante nota-se claramente o retardamento dos tempos de pico dos hidrogramas, caracterizando a influência do armazenamento na calha principal e atenuação dos picos de vazão. A partir dos resultados obtidos neste trabalho, ficou evidenciada a necessidade de se levar em conta os estudos de na avaliação de enchentes nas bacias urbanas, principalmente quando se observa maior complexidade no sistema de drenagem, relativamente às correntes formadoras, influenciando significativamente no hidrograma de respostas da bacia. Nas seções de montante notou-se que os valores dos picos foram pouco alterados, mantendo quase o mesmo tempo de retardamento. Em algumas seções intermediárias, principalmente [5], [6] e [8], os picos de vazão aumentaram, com pequena alteração nos tempos de retardamento. 68 Engenharia Civil UM Número 11, 2001

11 Nas seções situadas mais a jusante, observou-se uma maior convergência nos valores máximos de vazão, e, um progressivo aumento nos tempos de retardamento, originando-se inclusive picos secundários de vazão. Ficou evidenciado nos estudos desenvolvidos que a aplicação de um modelo escoamento baseado no hidrograma unitário sintético requer a realização de estudos mais profundos, principalmente no sentido de avaliar os efeitos de armazenamento no canal principal, e as correntes formadoras ao longo do curso d água. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Amaral, K. J., Andrade F., Alceu G. Estudos de Caracterização e Modelagem em Bacias Hidrográficas Urbanas X Salão de Iniciação Científica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, UFRGS, Porto Alegre, Cetesb, Drenagem Urbana: Manual de Projeto, Edição CETESB/ACETESB, São Paulo, Cunge, J.A. On the Subject of Flood Propagation Computation Method Muskingun Method Journal of Hydraulic Research, 1969, volume 7 número 2, p Denver Regional Council or Governments, Drainage Criteria Manual, Denver, Colorado, USA, Fendrich, Roberto Chuvas Intensas para Obras de Drenagem no Estado do Paraná Editora Universitária Champagnat, Ramos, Fábio, Ochipinti, Antonio G., Nova, Nilson A. V., Reichardt, K., Magalhães, Paulo C., Cleary, R. Engenharia Hidrológica, ABRH Editora da UFRJ, Rio de Janeiro, Santos Jor, Élcio Rodrigues, Széliga, Marcos Rogério e Andrade F. Alceu Gomes Estudo de Propagação de Enchentes em Bacias Urbanas Arroio de Olarias em Ponta Grossa, VIII Encontro Estadual de Iniciação Científica, Cascavel, PR, Tucci, Carlos E.M. Hidrologia: Ciência e Aplicação Editora da Universidade ABRH EDUSP, Tucci, Carlos E.M., Porto, Rubem La Laina e Barros, Mário T. de Drenagem Urbana ABRH / Editora UFRGS, Porto Alegre, Número 11, 2001 Engenharia Civil UM 69