IMPACTOS POTENCIAIS DE INUNDAÇÕES EM MOBILIDADE URBANA - MODELAGENS GEO-COMPUTACIONAIS Leonardo B. L. Santos 1 leonardo.santos@cemaden.gov.br Tiago Carvalho 1 tiago.carvalho@cemaden.gov.br Aurelienne A. Souza Jorge 1 aurelienne.jorge@cemaden.gov.br Luciana R. Londe 1 luciana.londe@cemaden.gov.br 1 Centro Nacional de Monitoramento e Alertas de Desastres Naturais (Cemaden) São José dos Campos, SP, Brazil Resumo. Fenômenos naturais adversos podem ter impactos negativos em diversos setores de um país, em particular no setor de transportes. Neste trabalho são apresentadas duas modelagens geo-computacionais para avaliação de impactos potenciais de inundações em mobilidade urbana. Utilizando exclusivamente softwares livres, as abordagens apresentadas utilizam dados de Pesquisa Origem-Destino e Modelos Digitais de Elevação, e ferramentas computacionais como a API de rotas do Google Maps, Sistemas de Gerenciamento de Bancos de Dados Geográficos (SGBDG) e Sistemas de Informações Geográficas (SIG). São comparados os resultados para estudos de caso na Região Metropolitana do Rio de Janeiro e na cidade de São José dos Campos-SP. O mapeamento de impactos potenciais é uma ferramenta valiosa não apenas para o monitoramento e alerta de desastres naturais, como é empregado no Centro Nacional de Monitoramento e Alertas de Desastres Naturais (Cemaden), mas também para tomadores de decisão em planejamento urbano e sustentabilidade. Palavras chave: Modelagem computacional, Sistema de Informações Geográficas (SIG), Sistemas Gerenciadores de Bancos de Dados Geográficos (SGBDG), Desastres Naturais, Mobilidade Urbana 1. INTRODUÇÃO Desastres naturais (DN) provocam grandes perdas humanas e materiais em todo o mundo e seu risco crescente é uma questão de preocupação global. A grande extensão territorial e populacional brasileira, aliada à sua condição socioeconômica precária de boa parte da população, agrava a situação de vulnerabilidade do país a alguns tipos de desastres naturais. Entre os DN que afetam o Brasil, destacam-se os movimentos de massa, as estiagens, as inundações e enxurradas (Tominaga et al., 2009). O plano nacional de gerenciamento de riscos e resposta a desastres naturais traz quatro componentes principais: prevenção, mapeamento, monitoramento e alertas precoces, e resposta. Estimativas de perdas e danos são procedimentos clássicos na fase pós-impacto", importantes para dimensionar os danos ocorridos e as demandas para reconstrução.
Mesmo antes de um desastre natural ocorrer, entretanto, já é possível ter uma estimativa dos seus impactos. O conhecimento de tais impactos potenciais pode representar um valioso recurso na fase de planejamento, dando suporte ao gerenciamento de riscos na questão da prevenção. O mapeamento - determinação de tipologias, localização e intensidades - pode, inclusive, nortear políticas de planejamento urbano, zoneamento do território e regras de operação para grandes empreendimentos com responsabilidade ambiental. Conforme Londe et al. (2015), a análise de exposição das pessoas aos riscos é, normalmente, de base residencial. Ao longo do dia, entretanto, as pessoas se movem pela cidade, tornando necessária a análise também da rede viária, devido à mobilidade urbana. A mobilidade urbana representa as viagens das pessoas por qualquer modo e para qualquer finalidade em uma área urbana considerada (PNUD, 2007). O atributo das cidades relativo ao deslocamento de pessoas e bens no espaço urbano, utilizando para isto veículos automotivos (particulares e coletivos), vias de circulação de motoristas e pedestres, e toda a infraestrutura urbana, estabeleceu o conceito de mobilidade urbana nos anos recentes. Fenômenos naturais adversos podem ter impactos negativos em diversos setores de um país, em particular no setor de transportes e mobilidade urbana. Assim, faz-se necessário o desenvolvimento de abordagens eficazes e eficientes, capazes de auxiliar os setores que lidam com este tipo de problema, de forma a apoiar a tomada de decisões. Neste trabalho apresentamos abordagens que utilizam dados de Pesquisas Origem-Destino e Modelos Digitais de Elevação, e ferramentas computacionais, tais como a API de rotas do GoogleMaps, Sistemas Gerenciadores de Bancos de Dados Geográficos (SGBDG), no caso o PostgreSQL com sua extensão espacial PostGIS, e Sistemas de Informações Geográficas (SIG), como o QuantumGIS e o TerraView (INPE) cujo módulo TerraHidro permite a delimitação de bacias hidrográficas. 2. MATERIAIS E MÉTODOS A Região Metropolitana do Rio de Janeiro (RMRJ) é composta por 19 cidades além da capital do estado, Rio de Janeiro, contando com 8.147,356 km² de área e 12.116.616 habitantes. Os dados da pesquisa Origem-Destino (OD) referentes à Região Metropolitana do Rio de Janeiro foram relatados no Plano Diretor de Transporte Urbano da RMRJ (PDTU-Rio de Janeiro, 2010). O município de São José dos Campos (SJC) está no interior do estado de São Paulo, na região do vale do rio Paraíba do Sul. Sua população é de 673.255 habitantes e ocupa uma área de 1.100 km². O rio Paraíba do Sul é o principal rio da cidade, captando água de diversos afluentes ao longo até mesmo da porção sul do município, com alto grau de povoamento. Além do conhecimento do total de pessoas com origem e destino em cada Zona de Tráfego (ZT), unidade espacial das pesquisas OD, ainda é necessário estimar as rotas utilizadas. Para isso, utilizamos uma abordagem simples e abrangente a qual provê as distâncias e tempos de deslocamento entre todos os possíveis pares de ZT. Assim, dado duas ZT de nomes A i e A j, a rota (R) que conecta, respectivamente, A i e A j é dada por
R = path(a i, A j ) onde path representa a função de cálculo de rota provida pela API Directions do Google Maps. Como parâmetros de entrada, a API recebe os dados geo-referenciados de origem e destino, o modo de deslocamento (por veículos automotores próprios, coletivos ou por caminhada). A rota R retornada pela API é disponibilizada na forma de um JSON (http://json.org), o qual contém a distância total a ser percorrida através da rota R, a duração do percurso da rota utilizando o meio de transporte indicado como parâmetro de entrada e um conjunto de pares lat/long, os quais representam os trechos intermediários da rota. É importante notar que a rota para realizar o deslocamento de A i para A j não necessariamente será a mesma rota gerada no deslocamento de A j para A i. A Figura 1 apresenta um exemplo do cálculo da rota estimada para realizar o deslocamento do ponto A i para o ponto A j. Adicionalmente, a Figura 2 apresenta um exemplo do cálculo da rota estimada para realizar o deslocamento do ponto A j (o mesmo ponto A j da Figura 1, para o ponto A i (o mesmo ponto A i da Figura 1). Figura 1 - Rota de deslocamento de um ponto Ai para um ponto Aj. Uma vez conhecidas as rotas que passam por um determinado curso d água, é associado um índice a cada trecho de hidrografia. O IFUM, índice de Impacto de Inundações em Mobilidade Urbana, mensura quantas pessoas teriam sua mobilidade afetada por uma inundação em um dado curso d água (Santos et al., 2015a). Para processar os dados de entrada e calcular o IFUM, foi desenvolvido um programa na linguagem Python que armazena todas as rotas, trechos de hidrografia e informações das zonas metropolitanas em um banco de dados PostgreSQL. Tal programa também importa os valores da matriz OD a partir de um arquivo texto e faz o cruzamento de todos esses dados dentro do próprio banco de dados através de consultas SQL com funções PostGIS - extensão espacial do PostgreSQL. Mais informações sobre processamento de dados hidrológicos em SDBGD podem ser adquiridas em Souza et al., 2015.
É então calculado um índice para os casos de mobilidade afetada diretamente - quando o trecho de hidrografia cruza diretamente com uma zona de origem ou destino da matriz OD, e um índice para os afetados indiretamente - quando o trecho de hidrografia cruza com uma das rotas em algum ponto. Figure 2 - Rota de deslocamento do ponto Aj para o ponto Ai. Apesar de basear-se nos mesmos pontos da Figura 1, a rota para ir do ponto Aj para o ponto Ai é diferente da rota para se ir do ponto Ai ao ponto Aj. Para ilustrar, segue abaixo a SQL que que identifica todas as rotas, juntamente com suas origens e destinos, que intersectam com um determinado trecho de hidrografia; esta consulta é utilizada no trecho de código que faz o cálculo do IFUM indireto. select r.rota, r.origem, r.destino from shp_rotas r, shp_hidro_rmrj h where st_intersects(h.geom, r.the_geom) and h.id_trecho =? Neste trabalho é destacado o rio Guandu Mirim, que passa pelos municípios do Rio de Janeiro e Mesquita, e próximo à cidade de Nilópolis. Outra forma de analisar impactos potenciais de inundações em mobilidade urbana é através da delimitação de bacias hidrográficas (BH) à montante de pontos de especial interesse do setor de transportes. Uma BH é o conjunto de pontos que representam a área de contribuição para um ponto comum, chamado exutório. A BH, definida à montante do exutório, representa a área que pode influenciar a resposta hidrológica do exutório.
No presente trabalho é destacada a BH à montante da Rua Jordânia, em SJC, localizada em região de alto fluxo de pessoas e veículos. Para construção da BH foi utilizado um Modelo Digital de Elevação (mapa de altimetrias) ASTER e o software TerraView, com seu módulo hidrológico TerraHidro. Mais detalhes sobre delimitação de BH, do ponto de vista geral, podem ser encontrados em Carvalho et al., 2015, e especificamente sobre BH à montante de pontos de interesse do setor de transportes em Santos et al., 2015b. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A aplicação do IFUM à RMRJ revela que o Rio Guandu Mirim tem um alto índice de impacto indireto. Este rio intercepta duas rodovias importantes: a BR-116 (principal rodovia do Brasil, com 4.385 km de extensão) e a BR-101, que inclui em seu trecho urbano a Avenida Brasil (Figura 3). Esta avenida liga a BR-101 Norte (Ponte Rio-Niterói e Rodovia Rio- Vitória/Niterói-Manilha) à BR-101 Sul (Rodovia Rio-Santos). A Avenida Brasil também é parte da BR-040, BR-116 e BR-465, ou seja: é parte de todas as rodovias nacionais que passam pela cidade do Rio de Janeiro. Inundações no Rio Guandu-Mirim, portanto, podem representar um forte impacto na mobilidade nas principais vias de circulação da RMRJ. Figura 3- Rio Guandu Mirim (linha azul), na RMRJ. Em abordagem diferente, os impactos potenciais de inundações na mobilidade no município de São José dos Campos foram analisados através da delimitação de bacias hidrográficas (BH) à montante de pontos de interesse do setor de transportes. Inicialmente foi aplicado o algoritmo de direção de fluxo (D8) na grade do Modelo Digital de Elevação (MDE), produzindo a grade de direções de escoamento da água (Local Drainage Direction).
O limiar de drenagem utilizado foi 0.405 km². Uma vez obtida a hidrografia sintética (rede de drenagem) da região de interesse, e dado o ponto de exutório determinado manualmente, delimitou-se a bacia à montante em relação ao exutório utilizando as direções de fluxo previamente calculadas para cada célula da grade do MDE. No caso, o ponto de drenagem escolhido para exutório foi o mais próximo à Rua Jordânia (Figura 4). Nas vizinhanças há um acesso ao Centro Tecnológico da Aeronáutica (CTA), uma unidade de uma grande rede de supermercados, um shopping-center e a rodoviária intermunicipal. A análise das regiões à montante e imediatamente à jusante, pelo método de delimitação de BH, mostra que a porção baixa da bacia está em uma área bastante urbanizada da região, e que à jusante está próximo o córrego Lava-pés (canalizado e com histórico de sobrecarga). Figura 4- Bacia hidrográfica delimitada à montante de uma rua de especial interesse para mobilidade urbana (rua Jordânia, SJC), em azul claro, e drenagem sintética obtida via processamento de Modelo Digital de Elevação, em azul escuro.
4. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS Softwares livres, como PostgreSQL com sua extensão espacial PostGIS, QuantumGIS e TerraView com o módulo TerraHidro, podem ser usados na avaliação de impactos potenciais de inundações em mobilidade urbana. As abordagens usando dados de Pesquisas Origem- Destino e delimitação de bacias hidrográficas são complementares e podem ser aplicadas tanto a regiões intra-municipais quanto a regiões metropolitanas englobando vários municípios. Estas abordagens são ferramentas importantes para sistemas de monitoramento e alerta de desastres naturais e para suporte ao planejamento urbano, especialmente no setor de transportes. Agradecimentos Este trabalho é parte integrante dos projetos CNPq intitulados Quantificando o impacto de inundações na mobilidade das pessoas no espaço urbano, nº 454267/2014-2, e Desenvolvimento de sistema de previsão de enxurradas, inundações e movimentos de massa em encostas para prevenção de desastres naturais, nº 402240/2012-0. REFERÊNCIAS Carvalho, T.; Santos, L.B.L.; Luz, E.F.P.; Ishibashi, R.; Jorge, A.A.S. (2015), An Operational Open Source Approach for Watersheds Delimitation and Characterization Based on Digital Images and Geographical Databases. Submetido ao International Conference on Information and Communication Technologies for Disaster Management (ICT-DM), Paris-França. Londe, L.R.; Santos, L.B.L.; Soriano, E.; Tomas, L.R. (2015), Urban mobility data to support the assesment of dynamic vulnerability to disasters. Submetido ao International Conference on Information and Communication Technologies for Disaster Management (ICT-DM), Paris-França. Plano Diretor de Transporte Urbano (PDTU) da Região Metropolitana do Estado do Rio de Janeiro (2010), Resultado da pesquisa origem/destino. Companhia estadual de engenharia de transporte e logística, Secretaria de estado de transporte, Governo do estado do Rio de Janeiro. Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento PNUD (2007), Desenvolvimento do Guia PlanMob para orientação aos órgãos gestores municipais na elaboração dos Planos Diretores de Transporte e da Mobilidade. Secretaria Nacional de Transporte e da Mobilidade Urbana. Programa das Nações Unidas para o Desenvolvimento PNUD. Ministério das Cidades. Santos, L.B.L.; Londe, L.R.; Soriano, E.; Souza, A.; Coelho, A.F. (2015a), Potential flood-related daily urban mobility problems in Rio de Janeiro (Brazil). Revista do Departamento de Geografia, pre-print. Santos, L.B.L.; Valerio, L.; Jurema, M.C.B.; Londe, L.R.; Souza, D.O.; Bardini, V.; Reani, R.T.; Bacelar, R.B.; Carvalho, T.; Soriano, E.; Tomás. L.R. (2015b). Desastres naturais de origem hidrológica e impactos no setor de transportes - o caso de março de 2015 em São José dos Campos-SP. Submetido ao Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, Brasília-DF. Souza, A.; Cruz, A.C.S.; Anaya, L.M.; Rodrigues, J.; Santos, L.B.L. (2015), Abordagem computacional livre para classificação de Strahler em hidrografias brasileiras relacionadas a desastres naturais. Modelling in Science Education and Learning (MSEL), v. 8, p. 23-34, 2015. Tominaga, L. K.; Santoro, J.; Amaral, R. (Orgs) (2009), Desastres naturais: conhecer para prevenir. São Paulo: Instituto Geológico, 196 p.
POTENTIAL IMPACTS OF FLOODS IN URBAN MOBILITY - GEO-COMPUTATIONAL APPROACHS Abstract. Adverse natural phenomena may cause negative impacts on many sectors of a country, particularly in the transportation sector. This work presents two geo-computing based modeling to evaluate potential impacts of flooding in urban mobility. Using only free software, the approaches presented using data from Origin-Destination survey and Digital Elevation Models, and computational tools such as Google Maps routing API, Geographical Database and Geographic Information Systems (GIS). The results are present considering case studies in the metropolitan area of Rio de Janeiro-RJ and in São José dos Campos-SP. The mapping of potential impacts is a valuable tool not only for monitoring and early warning of natural disasters, such as is used in National Center for Monitoring and Early Warning of Natural Disasters (Cemaden, Brazil), but also for decision makers in urban planning and sustainability. Keywords: Computational modeling, Geographic Information System (GIS), Geographic Databases, Natural Disasters, Urban Mobility