AVALIAÇÃO DO EFEITO DA DINÂMICA DA EXPANSÃO URBANA NA VAZÃO MÁXIMA DE UMA BACIA URBANA

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1 AVALIAÇÃO DO EFEITO DA DINÂMICA DA EXPANSÃO URBANA NA VAZÃO MÁXIMA DE UMA BACIA URBANA Franciele Zanandrea 1 ; Erick de Lima Sebadelhe Valério 2 ; André Luiz Lopes da Silveira 3 Resumo Nos processos de urbanização, comumente observados, o crescimento da mancha urbana é consoante à impermeabilização do solo. Com a impermeabilização do solo há um aumento no volume de água escoado, potencializando os riscos de ocorrência de inundações urbanas. Neste trabalho foi realizada uma análise espaço temporal das mudanças do uso e ocupação do solo para os anos de 2003 e Foi realizada interpretação visual de imagens de alta resolução, relacionando com o número de habitantes da bacia e com a vazão máxima estimada através do método SCS, para a bacia urbana Mãe d Água localizada em Viamão - RS. Esta bacia apresenta uma dinâmica de crescimento predominantemente urbana. Nota-se que mesmo com a redução da população ocorre um aumento das áreas impermeáveis na bacia, devido ao aumento do número de domicílios. Foram observadas alterações nas áreas de cobertura do solo na bacia. Essa alteração gerou um aumento de 1,21m 3 /s nas simulações das vazões de pico de 2003 para Através dos cenários simulados observa-se que a bacia pode vir a ter suas vazões ampliadas decorrentes da urbanização inadequada. Desta forma, ressalta-se a importância da adoção de projetos de controle de escoamento na bacia Mãe d Água, observando a forte presença das atividades urbanas. Palavras-Chave - Uso do solo; urbanização; escoamento superficial; ASSESSMENT OF EFFECT THE DYNAMICS OF URBAN GROWTH ON FLOW MAXIMUM OF AN URBAN BASIN Abstract In the urbanization processes, the growth of the urban area is corresponding on the soil impermeability. Due to soil impermeability there is an increase in the runoff volume, raising the risk of urban floods. In this paper, an analysis in space and time of changes in land use and occupation for the years 2003 and 2014 was performed. Was made a Visual interpretation of highresolution images, associating to the number of people living in the basin and the maximum flow estimated using the model of SCS, for an urban basin Mãe d'água located in Viamão - RS. This basin has a predominantly urban growth. Note that even by a reduction of the population there is an increase of the impervious areas in the basin, due to the increasing number of housing. It was observed changes in the areas of use and land cover of the basin. This changes resulted in an increase of 1.21m 3 /s in the simulation of peak flows since 2003 to Through the simulated scenarios, observed that the basin is likely to have an increased in the flows resulting from inadequate urbanization. Thus, it emphasizes the importance of adopting of flow control projects in the Mãe d Água basin, noting the great influence urban. Keywords - Land Use; Urbanization; Runoff. INTRODUÇÃO Nos processos de urbanização, comumente observados, o crescimento da mancha urbana é consoante à impermeabilização do solo. Essa alteração no ambiente natural é uma das causas que * 1 IPH/UFRGS, franciele.zanan@gmail.com 2 IPH/UFRGS, ericksebadelhe@hotmail.com 3 IPH/UFRGS, andre@iph.ufrgs.br XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 contribui para o desencadeamento de impactos ambientais, e traz como resultado o aumento no escoamento superficial. A implantação ou expansão de centros urbanos sem o devido planejamento põe em risco o balanço hídrico, devido às alterações no ciclo hidrológico. Como nas áreas impermeabilizadas a água não infiltra, essa passa a escoar superficialmente rumo ao sistema de drenagem urbana ou aos cursos d água, que tem sua capacidade excedida (FRITZEN; BINDA, 2011). Em um cenário como esse, existe a necessidade da realização de estudos para avaliar o regime hidrológico da bacia, visando compreender o funcionamento do balanço hídrico e os impactos decorrentes das mudanças do uso da terra sobre a quantidade e a qualidade da água. Essa avaliação pode ser feita utilizando modelos hidrológicos que representam de forma simplificada os fenômenos hidrológicos que ocorrem em uma bacia, servindo de auxílio para o entendimento dos processos que envolvem esta realidade (VALERIO E FONTES, 2012). Para se quantificar esse impacto hidrológico gerado pela impermeabilização do solo é necessário entender como ocorre o processo de urbanização. Com isso, esse trabalho tem por objetivo estabelecer uma relação entre o crescimento populacional e o aumento das áreas impermeáveis e seu efeito na vazão máxima para a bacia urbana Mãe d Água, considerando os anos de 2003 a ÁREA DE ESTUDO A área de estudo compreende a sub-bacia hidrográfica Mãe d Água, localizada na Região Metropolitana de Porto Alegre, no estado do Rio Grande do Sul, entre os municípios de Porto Alegre e Viamão, como pode ser observado na Figura 1 e constitui uma das nascentes da bacia do Arroio Dilúvio, que cruza grande parte do perímetro urbano do município de Porto Alegre. Figura 1 - Localização da bacia Mãe d Água na região metropolitana de Porto Alegre. Essa bacia é composta por quatro afluentes principais e possui uma área de aproximadamente 3,34 km², tendo como exutório a barragem Mãe D água, situada no Campus do Vale da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. A urbanização na área da bacia remonta à década de 1950, com a formação dos primeiros loteamentos, acentuando-se a partir dos anos 70 (CARDOSO, 2011). METODOLOGIA Para a averiguação do uso do solo, foi realizada uma interpretação visual de imagens de satélite de alta resolução, juntamente com a definição das classes de uso e cobertura do solo. As imagens utilizadas foram obtidas do satélite Quickbird com resolução de 0,5 metros para os anos de XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 2003 e 2014, permitindo analisar e comparar a dinâmica da ocupação do solo na bacia hidrográfica Mãe d Água nesse período. O processamento das imagens foi realizado no software ArcGis 10.1, onde foram criados arquivos shapefile nas seguintes classes: campos, edificações, grama, lagos, vegetação, solo exposto, vias pavimentadas e vias não pavimentadas. Para o cálculo da população da bacia, nos respectivos anos de interesse, foram contabilizados os habitantes e domicílios dos setores censitários dos censos do IBGE de 2000 e 2010 que se encontravam dentro dos limites da mesma. Com estes dados de população e domicílios da bacia e do município realizou-se uma projeção para os anos de 2003 e 2014, através do método de tendência de crescimento demográfico (IBGE, 2007). Após, estabeleceu-se uma relação de área impermeável da bacia por habitante e por domicílio. O sistema computacional modulado IPHS1 foi utilizado para realizar a transformação chuvavazão na bacia em estudo. Esse sistema permite ao usuário a determinação do hidrograma de projeto através da escolha de alguns dos modelos de uso já consagrado na literatura, compondo seu próprio modelo (FILHO et al., 2001). O modelo de transformação chuva-vazão do Soil Conservation Service - SCS foi utilizado através do sistema IPHS1. Este modelo foi desenvolvido em 1952 pelo Departamento da Agricultura dos Estados Unidos (U.S. Department of Agriculture, atualmente Natural Resources Conservation Service - NRCS), sendo concebido, sobretudo, para utilização em pequenas bacias, através de dados de bacias experimentais com vários tipos e uso do solo e técnicas de plantio. Desde então o modelo tem sido muito aplicado em todo mundo, sendo um dos mais utilizados para gerar hidrogramas de projeto em bacias sem dados hidrológicos (TUCCI, 1998; TASSI et. al., 2006). Para aplicação do SCS faz se necessário o conhecimento sobre o parâmetro de escoamento superficial curve number (CN), que está associado às condições de umidade antecedente da bacia e ao tipo e uso do solo. A partir das classes de uso do solo foram obtidos esses coeficientes, para os anos de 2003 e 2014, para diferentes parâmetros fisiográficos como cobertura vegetal, umidade do solo antecedente ao evento e classe de solo da bacia. O hidrograma de projeto para o exutório da bacia Mãe d Água foi estimado de acordo com a ocupação do solo para os anos de 2003 e 2014, considerando a chuva com duração de 0,6 horas, período de retorno de 10 anos e discretização temporal de 2 minutos. Essas configurações foram inseridas no IPHS1, onde foi possível determinar o hidrograma com base na relação Intensidade- Duração-Frequência - IDF estabelecida para o posto pluviométrico localizado próximo a bacia, nas áreas adjacentes ao IPH/UFRGS (Equação 1), na cidade de Porto Alegre (IPH, 2005). i = 509,859 T0,196 (t+10) 0,72 (1) Em que: i = intensidade da chuva (mm/h); T = tempo de retorno (anos); t =tempo de duração da chuva (min). A duração da precipitação adotada foi igual a duas vezes o tempo de concentração, permitindo que toda a precipitação atuasse sobre a vazão de pico. O tempo de concentração no exutório da bacia (tc) foi estimado pelo método de Kirpich, encontrando o valor de 0,3 horas. RESULTADOS E DISCUSSÃO Os mapas de uso do solo gerados para a bacia Mãe d Água para os anos de 2003 e 2014 seguem expostos na Figura 2 e Figura 3, respectivamente, apresentam-se também nessas figuras a classificação das áreas permeáveis e impermeáveis. A distribuição de cada classe segue na Tabela 1. Vale destacar que em 2003, quando foi realizada a classificação, a bacia já se encontrava fortemente urbanizada, baseada no fato da larga abrangência da classe edificações, que já ocupava 39,9% da bacia. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Figura 2 - Mapa de uso e ocupação do solo e áreas permeáveis e impermeáveis no ano de 2003, respectivamente. Figura 3 - Mapa de uso e ocupação do solo e áreas permeáveis e impermeáveis no ano de 2014, respectivamente. Tabela 1 - Distribuição do uso e cobertura do solo na bacia Mãe d Água Classes Área (km 2 ) Área (%) Área (km 2 ) Área (%) Campo 0,22 6,6 0,14 4,2 Vegetação 1,14 34,1 1,16 34,7 Solo exposto 0,04 1,2 0,01 0,3 Edificações 1,3 38,9 1,43 42,8 Vias pavimentadas 0,16 4,8 0,25 7,5 Vias não pavimentadas 0,19 5,7 0,13 3,9 Gramados 0,24 7,2 0,16 4,8 Lagos 0,05 1,5 0,06 1,8 As áreas edificadas representam a classe predominante da bacia com 42,8% em 2014, ressaltando seu caráter urbano e demonstrando um crescimento de 3,9% em relação a Outra XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 característica representante da urbanização da região é o aumento das vias pavimentadas em 2,7% e consequente diminuição das áreas não pavimentadas. As áreas de campo tiveram uma redução de 2,4% de 2003 para 2014, dando lugar provavelmente a vegetação, que apresentou crescimento em relação a Essa hipótese baseia-se no fato de as áreas de campo localizarem-se nos topos do morro Santana, onde não há urbanização e também a localização de uma antiga mineração nesta região, hoje desativada (FUJIMOTO, 2002), demonstrando a recuperação natural do ambiente. Observou-se um crescimento da urbanização na direção das nascentes em áreas de maior declividade no terceiro afluente da bacia, como também constatado por Poleto & Merten (2007). De acordo com Corseuil & Campos (2007) o planejamento da ocupação urbana deve ocorrer conforme a declividade das diferentes áreas de uma bacia hidrográfica, pois o não planejamento pode favorecer o processo erosivo e as perdas de solo. Em 2003 a bacia possuía um total de 1,46 km 2 de área impermeabilizada, totalizando 43,7% da bacia, já em 2014 esse valor passou para 1,68 km 2, o que corresponde a 50,3% de toda a bacia Mãe d Água. O aumento das áreas impermeabilizadas traz como consequência o aumento do volume escoado superficialmente, efeito percebível nos hidrogramas, onde para a mesma chuva, a vazão de pico é maior (TUCCI, 1995). A bacia Mãe d água possui uma densidade habitacional de aproximadamente 53 hab./ha, com uma área impermeabilizada de aproximadamente 50%, representando maiores índices quando comparadas as relações entre área impermeável e densidade habitacional estabelecidas a partir de dados de Porto Alegre, Curitiba e São Paulo por Campana e Tucci (1994), onde 50 hab/ha representou 23,3% de área impermeável. Essa diferença é possivelmente pelo fato do tipo de ocupação peculiar da área de estudo, representada por uma urbanização desordenada de maneira informal, com ocupação em áreas de alta declividade. Os valores das projeções do número de habitantes e domicílios para os anos de 2003 e 2014, bem como a taxa de área impermeável por habitante e por domicílio para a bacia Mãe d Água apresentam-se na Tabela 2. Tabela 2 Número de habitantes, domicílios, taxa de área impermeável/habitante e taxa de área impermeável/domicílio para bacia Mãe d Água. Ano Taxa de área Taxa de área Número de Número de impermeável/habitante impermeável/domicílio Habitantes Domicílios (m 2 /hab) (m 2 /dom.) * ,66 251, * ,30 281,41 * projeção A população da bacia diminui 9,5% de 2003 para 2014, enquanto os dados de população do município de Viamão apresentaram um aumento de 2000 para 2010 (IBGE, 2010), porém tanto na bacia como no município o número de domicílios aumentou. As áreas impermeáveis da bacia aumentaram em 6,6%, o que demonstra um aumento de 19,64 m 2 de área impermeabilizada por um habitante e 29,86 m 2 por domicílio. Esses resultados demonstram que a tendência atual do processo de urbanização é a redução da densidade habitacional e o aumento da área impermeável, aumentando a quantidade de metros quadrados de área impermeável por habitante, como já retratado por Menezes Filho & Tucci (2012). XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Vazão (m³/s) A bacia vem sofrendo um processo de emigração, provavelmente devido à falta de infraestrutura urbana, como saneamento básico, porém a urbanização e a impermeabilização do solo aumentam, potencializando o problema. A causa pelo qual o escoamento superficial em uma bacia hidrográfica está diretamente ligado ao uso do solo está relacionada ao coeficiente de escoamento superficial (CN). Assim, esse aumento na impermeabilização reflete nas vazões máximas simuladas como pode ser observado na Tabela 3 e na Figura 4, onde se apresentam as vazões de pico na foz para os anos de 2003 e 2014, seus respectivos CN proporcionais calculados e os hidrogramas de projeto simulados para a bacia Mãe d Água nos anos de 2003 e Tabela 3 - Valores das vazões máximas estimadas para os anos de 2003 e 2014 na foz da bacia Mãe d Água. Ano Qp (m 3 /s) CN , , Tempo (min) Figura 4 Hidrogramas de projeto obtidos para os anos de 2003 e 2014 Os valores médios de CN foram obtidos pela ponderação das áreas alusivas às diferentes coberturas do solo. Houve uma pequena variação nos valores de CN em 11 anos em função das alterações nas áreas de cobertura do solo na bacia. Essa alteração gerou um aumento de 1,21 m 3 /s na vazão de pico estimada de 2003 para 2014, observando uma tendência ao aumento de picos de vazão na bacia. Hüffner & Mendes (2013) também encontraram um aumento nas vazões máximas em função do acréscimo da taxa de urbanização na bacia Mãe d Água, encontrando o valor de 7,53 m 3 /s para o ano de Essa diferença nas vazões obtidas para os dois estudos pode ser explicada pelos valores do CN adotados. No presente estudo calculou-se os valores de 80 e 81 para os anos de 2003 e 2014, respectivamente. Enquanto que no estudo de 2013, os autores adotaram o valor de 74 para o XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 ano de 2012, justificando assim as diferenças observadas entre os dois estudos, provavelmente pela diferença nos métodos de avaliação do uso do solo. Essa tendência observada na bacia em um curto período de tempo indica que devem ser consideradas diretrizes de ordenamento na expansão urbana e controle no escoamento superficial para a região, para que não se exceda a capacidade atual dos canais. Nota-se que o aumento das vazões máximas simuladas retrata o crescimento da urbanização e impermeabilização do solo da bacia. Esse resultado mostra que a bacia apresenta um risco de que eventos de inundação se tornem mais intensos e frequentes em um curto período de tempo. CONCLUSÕES Nesta análise espaço temporal das mudanças no uso e ocupação do solo, relacionando com as vazões máximas, foi possível observar a relação da impermeabilização do solo no aumento do escoamento superficial. Nota-se que mesmo com a redução da população ocorre um aumento das áreas impermeáveis na bacia, devido ao aumento do número de domicílios, e a diminuição do número de habitantes por domicílio, que segundo o Censo do IBGE a densidade habitacional para uma mesma área impermeável no município de Viamão era 3,4 hab/domicílio em 2000 e passou para 3,1 hab/domicílio em Isso demonstra a mudança do perfil demográfico brasileiro das últimas 2 décadas, principalmente em áreas urbanas desassistidas, de baixa renda, onde a dinâmica de crescimento é diferenciada da expansão ordenada. O arranjo espacial da paisagem, expresso pelos mapas de uso e cobertura do solo, é decorrente das ações naturais e antrópicas sobre a bacia. Em que a dinâmica da paisagem envolve a evolução espacial da ocupação ao longo do tempo. As alterações no uso e ocupação do solo podem contribuir para modificar o escoamento superficial na bacia Mãe d Água, que pode ser traduzido pelas vazões de pico simuladas para uma chuva de projeto determinada, em que apresentaram um aumento no volume escoado na bacia para os cenários simulados. Através dos cenários simulados observa-se que a bacia pode vir a ter suas vazões ampliadas decorrentes da urbanização inadequada. Desta forma, ressalta-se a importância da adoção de projetos de controle de escoamento na bacia Mãe d Água, observando a forte presença das atividades urbanas. Um planejamento adequado com diretrizes de urbanização e zoneamento eficientes, estabelecidos em Planos Diretores e, aliado aos Planos de Drenagem Urbana, auxiliam na contribuição para o amortecimento de impactos hidrológicos, podendo reduzir os efeitos sobre as vazões de pico e, consequentemente, auxiliando na diminuição da ocorrência de inundações. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e ao Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (IPH/UFRGS). REFERÊNCIAS CARDOSO, A. R. (2011). Evolução urbana e o enriquecimento de sedimentos por metais-traço na Barragem Mãe D água, sub-bacia do Arroio Dilúvio, RMPA/RS. Dissertação de Mestrado Instituto de Pesquisas Hidráulicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre RS. CAMPANA, N.; TUCCI, C. E. M.. (1994). Estimativa de Área Impermeável de Macro Bacias Urbanas. Revista Brasileira de Engenharia. Caderno de Recursos Hídricos. v.12, n. 2, p XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 CORSEUIL, C. W.; CAMPOS, C. (2007). Geoprocessamento aplicado na determinação das classes de declividade e uso de terras da microbacia do Arroio Ajuricaba - Marechal Cândido Rondom - PR. Engenharia Agrícola, v.22, n.1, p FILHO, J. S. V.; TUCCI, C. E. M.; VILLANUEVA, A. (2001). Manual do usuário do IPHS1 para Windows Versão beta IPH UFRGS, ALM/ FEA / IMF UFPel. FRITZEN, M.; BINDA, A. L. (2011). Alterações no ciclo hidrológico em áreas urbanas: cidade, hidrologia e impactos no ambiente. Ateliê Geográfico, Goiânia, v. 5, n. 3, p FUJIMOTO, N. S. V. M. (2002). Implicações Ambientais na Área Metropolitana de Porto Alegre - RS: Um estudo geográfico com ênfase na geomorfologia urbana. GEOUSP: Espaço e Tempo, São Paulo, n. 12, p.xx. HÜFFNER, A.; MENDES, C. A. B. (2013) Impactos hidrológicos decorrentes da expansão urbana na bacia barragem Mãe d água, Viamão - RS. In Anais do XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, Bento Gonçalves, 8 p. INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA - IBGE. (2007). Metodologia das estimativas das populações de 128 municípios e distrito federal para Rio de Janeiro: IBGE. Disponível em: < Acesso em: 15 jan INSTITUTO DE PESQUISAS HIDRÁULICAS - IPH. (2005). Plano Diretor de Drenagem Urbana: Manual de Drenagem Urbana. Volume VI. Prefeitura Municipal de Porto Alegre. Porto Alegre: Setembro de MENEZES FILHO, F. C. M. de; TUCCI, C. E. M. (2012) Alteração na relação entre densidade habitacional x área impermeável: Porto Alegre - RS. Revista de Gestão de Águas da América Latina - Rega, Porto Alegre, v. 9, n. 1, p.49-55, jan. POLETO, C.; MERTEN, G. H. (2007). Urban Watershed Studies in Southern Brazil. Journal Of Urban And Environmental Engineering, v. 1, n. 2, p.70-78, june. TASSI, R. ALLASIA, D. G.; MELLER, A.; MIRANDA, T. C.; HOLZ, J.; SILVEIRA, A. L. L. (2006). Determinação do parâmetro CN para sub-bacias urbanas do arroio Dilúvio - Porto Alegre/RS. In Anais do I Simpósio de Recursos Hídricos do Sul-Sudeste, Curitiba-PR. TUCCI, C. E. M., PORTO, R.L., DE BARROS, M. T. (1995). Drenagem Urbana. Porto Alegre: Ed. da Universidade: ABRH. 428p. TUCCI, C. E. M. (1998). Modelos hidrológicos. Ed. Universidade /UFRGS/Associação Brasileira de Recursos Hídricos, Porto Alegre RS. 668p. VALERIO, E. L. S.; FONTES, A. S. (2012). Avaliação das alterações do regime hidrológico do rio Catu frente à mudanças no uso e ocupação do solo. In Anais do XI Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste, João Pessoa-PB, 17p. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8