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Universidade Federal do Rio de Janeiro
DIAGNÓSTICO DE CHEIAS URBANAS NA CIDADE DE VOLTA REDONDA - RJ
Érika Fraga Rodrigues
2008
COPPE/UFRJCOPPE/UFRJ
DIAGNÓSTICO DE CHEIAS URBANAS NA CIDADE DE VOLTA REDONDA - RJ
Érika Fraga Rodrigues
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa de Pós-graduação em Engenharia
Civil, COPPE, da Universidade Federal do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos necessários
à obtenção do título de Mestre em Engenharia
Civil.
Orientadores: Marcelo Gomes Miguez
José Paulo Soares de Azevedo
Rio de Janeiro
Dezembro de 2008
DIAGNÓSTICO DE CHEIAS URBANAS NA CIDADE DE VOLTA REDONDA - RJ
Érika Fraga Rodrigues
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO
LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA
(COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE
DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE
EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.
Aprovada por:
________________________________________________
Prof. José Paulo Soares de Azevedo, Ph.D.
________________________________________________ Prof. Marcelo Gomes Miguez, D.Sc.
________________________________________________ Prof. Otto Corrêa Rotunno Filho, Ph.D.
________________________________________________ Profa. Luciene Pimentel da Silva, Ph.D.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
DEZEMBRO DE 2008
iii
Rodrigues, Érika Fraga
Diagnóstico de Cheias Urbanas na Cidade de Volta
Redonda - RJ / Érika Fraga Rodrigues. – Rio de Janeiro:
UFRJ/COPPE, 2008.
XVIII, 114 p.: il.; 29,7 cm.
Orientadores: José Paulo Soares de Azevedo
Marcelo Gomes Miguez.
Dissertação (Mestrado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de
Engenharia Civil, 2008.
Referencias Bibliográficas: p. 106-110.
1. Modelação Matemática. 2. Enchentes Urbanas. 3.
Drenagem Urbana. I. Miguez, Marcelo Gomes “et all". II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE,
Programa de Engenharia Civil. III. Titulo.
v
AGRADECIMENTOS
Aos meus orientadores Marcelo Gomes Miguez e José Paulo Soares, por sua enorme
paciência e dedicação.
Aos meus pais Graça e Nilton, por seu amor, confiança e motivação.
A minha avó Dedier, pelo grande incentivo.
Ao meu irmão Douglas, por sua amizade e colaboração em todas as dificuldades.
Ao Flávio e Renata, meus primos, por ajudar-me com o seu computador e com a sua
boa vontade.
Ao Flipi Tonon e Amarildo Ferraz, por terem me ajudado fornecendo dados para o
desenvolvimento deste trabalho.
Ao meu primo Marcio Valério, por ter me recebido muito bem na prefeitura e liberando
os mapas essenciais para o desenvolvimento deste trabalho, juntamente com Gustavo da
Silva Francisco, Abimailton Pratti da Silva, José Eduardo Ramos Quaglia.
A aluna do UniFOA, Ivani Custódia da Costa, e a professora Shanne, por sua paciência
em me ensinar o autocad.
A grande amiga Ana Cláudia por toda paciência e carinho.
A Lauzi, por seu amor e preocupação
Ao Padre Rhawy, por deixar seus afazeres e orientar-me na elaboração e montagem do
trabalho.
Ao Gustavo Bezerra Zampronio, Magali Ferreira Mattos, Luis Paulo Canedo de
Magalhães, Telma Teixeira, Patrícia Nick, Nathália Oliveira e Danielli Lucia Augusto
pelo grande apoio.
Ao meu primo Ronaldo, pelas tantas vezes que acordava de madrugada para me dar
carona.
vi
Ao William Bortolazzo, por sua paciência e sua presença constante e incentivadora e
por ser essa pessoa que não me deixa desanimar.
A banca examinadora, Marcelo, José Paulo, Flávio e Luciene, por sua disposição em
assistir-me na apresentação deste trabalho
Ao pessoal da garagem da Prefeitura de Volta Redonda, por ter me dado carona diversas
vezes para ir ao Rio de Janeiro.
A Cláudia, que sempre se preocupava com minhas idas ao Rio de Janeiro.
Em memória ao meu tio Beto, que sempre me acolhia com carinho e ao Senhor
Marquinho que providenciava minha condução ao Rio de Janeiro.
Em, especial, agradeço meu avô Hamilton, por ter sido não somente um avô, mas o
melhor avô que eu poderia ter tido. Um avô, pai e grande amigo. Agradeço por ter me
criado com muito amor e carinho. Você sempre estará vivo no meu coração. TE
AMO!!!
Aos amigos e colegas pela força e pela vibração em relação a esta jornada.
Aos professores e colegas de Curso, pois juntos trilhamos uma etapa importante de
nossas vidas.
A todos que, com boa intenção, colaboraram para a realização e finalização deste
trabalho.
A Deus, o soberano e autor da existência humana, pelo Dom da Vida e pela graça de
chegar até aqui.
viii
Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)
DIAGNÓSTICO DE CHEIAS URBANAS NA CIDADE DE VOLTA REDONDA - RJ
Érika Fraga Rodrigues
Dezembro/2008
Orientadores: Marcelo Gomes Miguez
José Paulo Soares de Azevedo.
Programa: Engenharia Civil
Volta Redonda é uma cidade localizada no Vale do Paraíba do Sul, também
conhecida como Cidade do Aço, por sediar a Companhia Siderúrgica Nacional (CSN),
grande responsável pela expansão urbana e econômica da região. Faz parte da sua malha
hidrográfica a bacia do rio Brandão, alvo de estudo deste trabalho, tendo como receptor
o rio Paraíba do Sul. Esta dissertação tem como objetivo analisar e diagnosticar zonas
de cheias urbanas na bacia do rio Brandão. O trabalho foi feito com o auxilio de uma
ferramenta desenvolvida no Laboratório de Hidráulica Computacional / COPPE –
UFRJ, o MODCEL, para simular o escoamento existente na região e avaliar a influência
de seus dois afluentes, o córrego Cachoeirinha e o córrego Cafua, e identificar quais
sub-bacias são mais importantes nos processos de alagamentos.
ix
Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)
URBANS FLOODS DIAGNOSIS IN VOLTA REDONDA - RJ
Érika Fraga Rodrigues
December/2008
Advisors: Marcelo Gomes Miguez
José Paulo Soares de Azevedo.
Department: Civil Engineering
Volta Redonda is a city located in the Paraiba do Sul river’s valley, also known
as the Steel City because of the National Steel Company (CSN), which is responsible
for economic and urban expansion in the region. The Brandão river basin is part of its
hydrographic net and the main subject of study in this work, having as receptor Paraiba
do Sul River. This thesis aims to analyze and diagnose urban flooding areas in the basin
of Brandão river, with the aid of a tool developed at the Laboratory of Computational
Hydraulics / COPPE - UFRJ, called MODCEL, to simulate the flow in the region and
assess the influence of its two tributaries, Cachoeirinha stream and Cafua stream, and
identify which sub-basins are more important in cases of flooding.
x
INDICE I. INTRODUÇÃO..................................................................................... 1
I.1. Considerações Gerais...................................................................... 1
I.2. Objetivo........................................................................................... 2
I.3. Motivação........................................................................................ 3
I.4. Escopo............................................................................................. 6
II CARACTERIZAÇÃO DA REGIÃO DE ESTUDO........................... 8
II.1. O Município de Volta Redonda........................................................ 9
II.2. A Bacia Hidrográfica do rio Brandão............................................... 11
III. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA………………………………………. 15
IV. MODELAGEM MATEMÁTICA…………………………………… 26
IV.1. Modelo de Células de Escoamento – MODCEL............................... 27
IV.2. Hipótese do Modelo de Células......................................................... 28
IV.3. Modelação de uma bacia através das células de escoamento............ 29
IV.4. Equações Governantes / Modelação Matemática………………….. 30
IV.5. Condições Iniciais de Contorno………………………………….. 33
IV.6. Estrutura Computacional do Modelo Implícito de Células............... 33
V. METODOLOGIA…………………………………………………….. 35
V.1. Estudos Hidrológicos……………………………………………… 42
V.1.1 Cálculo do Tempo de Concentração.......................................... 42
V.1.2 Metodologia adotada para o calculo do tempo de concentração.............................................................................
42
V.1.3 Cálculo da Chuva de Projeto..................................................... 44
V.1.4 Cálculo dos Hidrogramas das Condições de Contorno............. 44
V.1.5 Separação da Chuva Efetiva na Área Dividida em Células...... 49
V.2. Modelagem Hidrodinâmica............................................................... 50
xi
V.2.1 Divisão em Células da Bacia do Rio Brandão........................... 50
V.2.2 Topologia.......................................................................................... 54
V.2.3 Calibração.......................................................................................... 56
VI. DIAGNOSTICO DAS CHEIAS NA BACIA DO RIO BRANDAO.. 64
VII CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES…………………………... 101
VII.1. Conclusões........................................................................................ 101
VII.2. Recomendações................................................................................. 103
REFERÊNCIAS..................................................................................... 106
ANEXOS
xii
LISTA DE FIGURAS Figura 1 Rio Brandão transbordou no bairro Vila Santa Cecília (Fonte: site
Jornal Diário do Vale)........................................................................
4
Figura 2 Efeitos da chuva de 2005 (Fonte: site Jornal Diário do
Vale)...................................................................................................
5
Figura 3 Mapa da região de Volta Redonda indicando os pontos de
alagamento da cidade..........................................................................
13
Figura 4 Mapa indicando os dois últimos pontos de alagamento da bacia do
rio Brandão para este trabalho............................................................
14
Figura 5 Pavimento permeável (Urbonas e Stahre, 1993)................................ 20
Figura 6 Valo de Infiltração (Urbonas e Stahre, 1993).................................... 21
Figura 7 Valo de infiltração - detalhe (Urbonas e Stahre, 1993)..................... 21
Figura 8 Trincheira de Infiltração (AMEC, 2001)............................................ 22
Figura 9 Trincheira de infiltração (Woodworth, 2002).................................... 22
Figura 10 Canalização (SEMADS, 2001)........................................................... 23
Figura 11 Reservatório de detençã em encostas (SEMADS,
2001)..................................................................................................
24
Figura 12 Mapa indicando o primeiro ponto crítico de alagamento da bacia do
rio Brandão.........................................................................................
36
Figura 13 Mapa indicando o segundo ponto crítico de alagamento da bacia do
rio Brandão.........................................................................................
36
Figura 14 Mapa indicando o terceiro ponto crítico de alagamento da bacia do rio
Brandão........................................................................................................
37
Figura 15 Mapa indicando o quarto ponto crítico de alagamento da bacia do
rio Brandão.........................................................................................
37
Figura 16 Mapa indicando o quinto ponto crítico de alagamento da bacia do rio
Brandão........................................................................................................
38
Figura 17 Mapa indicando o sexto ponto crítico de alagamento da bacia do rio
Brandão...............................................................................................
38
Figura 18 Diagrama unifilar da rede de drenagem principal da região em
estudo e os seis pontos críticos de alagamento...................................
42
Figura 19 Hidrograma da condição de contorno do rio Brandão, CC-1011....... 45
xiii
Figura 20 Hidrograma da condição de contorno do rio Cachoeirinha, CC-
1023....................................................................................................
46
Figura 21 Hidrograma da condição de contorno do rio Cafuá, CC-1014........... 47
Figura 22 Hidrograma da condição de contorno do rio Cafuá, CC-1017........... 48
Figura 23 Destaque das áreas das sub-bacias do rio Brandão e representação
dos locais de aplicação das condições de contorno............................
51
Figura 24 Divisão de células para a bacia do rio Brandão.................................. 53
Figura 25 Esquema topológico associado a divisão em células da bacia do rio
Brandão...............................................................................................
55
Figura 26 Mancha de alagamento para a situação atual considerando uma
chuva de projeto com T.R. de 20 anos...............................................
57
Figura 27 Gráfico mostrando o alagamento do ponto 1 da bacia do rio
Brandão...............................................................................................
58
Figura 28 Gráfico mostrando o alagamento do ponto 2 da bacia do rio
Brandão...............................................................................................
58
Figura 29 Gráfico mostrando o alagamento do ponto 3 da bacia do rio
Brandão...............................................................................................
59
Figura 30 Gráfico mostrando o alagamento do ponto 4 da bacia do rio
Brandão...............................................................................................
59
Figura 31 Gráfico mostrando o alagamento do ponto 5 da bacia do rio
Brandão...............................................................................................
59
Figura 32 Gráfico mostrando o alagamento do ponto 6 da bacia do rio
Brandão...............................................................................................
60
Figura 33 Gráfico mostrando o fundo, nível d’água, margem direita e margem
esquerda do rio Brandão, no que tange a locais indicados de
extravasamento da calha.....................................................................
60
Figura 34 Gráfico mostrando o fundo, nível d’água, margem direita e margem
esquerda do rio Cachoeirinha, no que tange a locais indicados de
extravasamento da calha.....................................................................
61
Figura 35 Gráfico mostrando o fundo, nível d’água, margem direita e margem
esquerda do rio Cafua, no que tange a locais indicados de
extravasamento da calha.....................................................................
61
Figura 36 Gráfico mostrando o resultado do cenário 1 para o ponto crítico 1... 64
xiv
Figura 37 Gráfico mostrando o resultado do cenário 2 para o ponto crítico 1... 64
Figura 38 Gráfico mostrando o resultado do cenário 3 para o ponto crítico 1... 65
Figura 39 Gráfico mostrando o resultado do cenário 4 para o ponto crítico 1... 66
Figura 40 Gráfico mostrando o resultado do cenário 5 para o ponto crítico 1... 66
Figura 41 Gráfico mostrando o resultado do cenário 6 para o ponto crítico 1... 67
Figura 42 Gráfico mostrando o resultado do cenário 7 para o ponto crítico 1... 68
Figura 43 Gráfico mostrando o resultado do cenário 8 para o ponto crítico 1... 68
Figura 44 Gráfico mostrando o resultado do cenário 9 para o ponto crítico 1... 69
Figura 45 Gráfico mostrando o resultado do cenário 10 para o ponto crítico 1. 69
Figura 46 Gráfico mostrando o resultado do cenário 11 para o ponto crítico 1. 70
Figura 47 Gráfico mostrando o resultado do cenário 1 para o ponto crítico 2... 71
Figura 48 Gráfico mostrando o resultado do cenário 2 para o ponto crítico 2... 71
Figura 49 Gráfico mostrando o resultado do cenário 3 para o ponto crítico 2... 71
Figura 50 Gráfico mostrando o resultado do cenário 4 para o ponto crítico 2... 72
Figura 51 Gráfico mostrando o resultado do cenário 5 para o ponto crítico 2... 73
Figura 52 Gráfico mostrando o resultado do cenário 6 para o ponto crítico 2... 73
Figura 53 Gráfico mostrando o resultado do cenário 7 para o ponto crítico 2... 74
Figura 54 Gráfico mostrando o resultado do cenário 8 para o ponto crítico 2... 74
Figura 55 Gráfico mostrando o resultado do cenário 9 para o ponto crítico 2... 75
Figura 56 Gráfico mostrando o resultado do cenário 10 para o ponto crítico 2. 75
Figura 57 Gráfico mostrando o resultado do cenário 11 para o ponto crítico 2. 76
Figura 58 Gráfico mostrando o resultado do cenário 1 para o ponto crítico 3... 76
Figura 59 Gráfico mostrando o resultado do cenário 2 para o ponto crítico 3... 77
Figura 60 Gráfico mostrando o resultado do cenário 3 para o ponto crítico 3. 77
Figura 61 Gráfico mostrando o resultado do cenário 4 para o ponto crítico 3... 78
xv
Figura 62 Gráfico mostrando o resultado do cenário 5 para o ponto crítico 3... 78
Figura 63 Gráfico mostrando o resultado do cenário 6 para o ponto crítico 3... 78
Figura 64 Gráfico mostrando o resultado do cenário 7 para o ponto crítico 3... 79
Figura 65 Gráfico mostrando o resultado do cenário 8 para o ponto crítico 3... 79
Figura 66 Gráfico mostrando o resultado do cenário 9 para o ponto crítico 3... 80
Figura 67 Gráfico mostrando o resultado do cenário 10 para o ponto crítico 3. 80
Figura 68 Gráfico mostrando o resultado do cenário 11 para o ponto crítico 3. 81
Figura 69 Gráfico mostrando o resultado do cenário 1 para o ponto crítico 4... 81
Figura 70 Gráfico mostrando o resultado do cenário 2 para o ponto crítico 4... 82
Figura 71 Gráfico mostrando o resultado do cenário 3 para o ponto crítico 4... 82
Figura 72 Gráfico mostrando o resultado do cenário 4 para o ponto crítico 4... 83
Figura 73 Gráfico mostrando o resultado do cenário 5 para o ponto crítico 4... 83
Figura 74 Gráfico mostrando o resultado do cenário 6 para o ponto crítico 4... 84
Figura 75 Gráfico mostrando o resultado do cenário 7 para o ponto crítico 4... 84
Figura 76 Gráfico mostrando o resultado do cenário 8 para o ponto crítico 4... 85
Figura 77 Gráfico mostrando o resultado do cenário 9 para o ponto crítico 4... 85
Figura 78 Gráfico mostrando o resultado do cenário 10 para o ponto crítico 4. 86
Figura 79 Gráfico mostrando o resultado do cenário 11 para o ponto crítico 4. 86
Figura 80 Gráfico mostrando o resultado do cenário 1 para o ponto crítico 5... 87
Figura 81 Gráfico mostrando o resultado do cenário 2 para o ponto crítico 5... 87
Figura 82 Gráfico mostrando o resultado do cenário 3 para o ponto crítico 5. 88
Figura 83 Gráfico mostrando o resultado do cenário 4 para o ponto crítico 5... 88
Figura 84 Gráfico mostrando o resultado do cenário 5 para o ponto crítico 5... 89
Figura 85 Gráfico mostrando o resultado do cenário 6 para o ponto crítico 5... 89
Figura 86 Gráfico mostrando o resultado do cenário 7 para o ponto crítico 5... 90
xvi
Figura 87 Gráfico mostrando o resultado do cenário 8 para o ponto crítico 5. 90
Figura 88 Gráfico mostrando o resultado do cenário 9 para o ponto crítico 5... 91
Figura 89 Gráfico mostrando o resultado do cenário 10 para o ponto crítico 5. 91
Figura 90 Gráfico mostrando o resultado do cenário 11 para o ponto crítico 5. 92
Figura 91 Gráfico mostrando o resultado do cenário 1 para o ponto crítico 6... 92
Figura 92 Gráfico mostrando o resultado do cenário 2 para o ponto crítico 6... 93
Figura 93 Gráfico mostrando o resultado do cenário 3 para o ponto crítico 6... 93
Figura 94 Gráfico mostrando o resultado do cenário 4 para o ponto crítico 6... 94
Figura 95 Gráfico mostrando o resultado do cenário 5 para o ponto crítico 6... 94
Figura 96 Gráfico mostrando o resultado do cenário 6 para o ponto crítico 6... 94
Figura 97 Gráfico mostrando o resultado do cenário 7 para o ponto crítico 6... 95
Figura 98 Gráfico mostrando o resultado do cenário 8 para o ponto crítico 6... 95
Figura 99 Gráfico mostrando o resultado do cenário 9 para o ponto crítico 6... 96
Figura 100 Gráfico mostrando o resultado do cenário 10 para o ponto crítico 6. 96
Figura 101 Gráfico mostrando o resultado do cenário 11 para o ponto crítico 6. 97
xvii
LISTA DE TABELAS Tabela 1 Pontos críticos apontados no relatório elaborado pelo Instituto de
Pesquisa e Planejamento (IPPUVR, 1997)............................................
12
Tabela 2 Dados para o calculo do tempo de concentração................................... 43
Tabela 3 Localização da Estação Pluviométrica Estudada................................... 44
Tabela 4 Resumo dos parâmetros utilizados para o cálculo das condições de
contorno.................................................................................................
49
Tabela 5 Parâmetros de separação da chuva efetiva na área modelada por
célula......................................................................................................
49
Tabela 6 Resultado dos níveis d’água e vazão na calibração para cada ponto
crítico.....................................................................................................
56
Tabela 7 Níveis d’água e tempo do pico de cheia para cada ponto na
calibração...............................................................................................
61
Tabela 8 Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o
Cenário 1...............................................................................................
97
Tabela 9 Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o
Cenário 2................................................................................................
97
Tabela 10 Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o
Cenário 3................................................................................................
98
Tabela 11 Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o
Cenário 4................................................................................................
98
Tabela 12 Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o
Cenário 5................................................................................................
98
Tabela 13 Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o
Cenário 6................................................................................................
98
Tabela 14 Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o
Cenário 7................................................................................................
98
Tabela 15 Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o
Cenário 8...............................................................................................
99
Tabela 16 Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o
Cenário 9................................................................................................
99
Tabela 17 Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o
Cenário 10..............................................................................................
99
xviii
Tabela 18 Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o
Cenário 11..............................................................................................
99
1
I. INTRODUÇÃO
I.1. Considerações Gerais
As águas pluviais são fundamentais para o equilíbrio dos ecossistemas e para a
sobrevivência humana. Essas águas são responsáveis pelo abastecimento de várias
cidades e proporcionam vários tipos de recursos para as populações. Com o
desenvolvimento da humanidade e o crescimento urbano, os caminhos de drenagens
percorridos por essas águas vêm sendo modificados drasticamente, alterando seu
equilíbrio natural, dando origem a grandes enchentes e destruição de comunidades e
cidades, deixando a população dessas regiões sem um horizonte de futuro.
Enchente é o escoamento superficial das águas pluviais que após suprir a retenção
natural da cobertura vegetal, saturar os vazios do solo e preencher as depressões do
terreno buscam caminhos oferecidos pela drenagem natural ou artificial fluindo no
sentido do corpo receptor de água. É um fenômeno benéfico, por se tratar de um ciclo
natural onde a água desempenha um papel importante para a vida da fauna, da flora e do
próprio homem. Os eventos naturais extremos, como, por exemplo, as ocorrências de
estiagens prolongadas, escassez ou a abundancia das águas concentradas no tempo e no
espaço, provocam prejuízos, desconfortos e até mesmo perda de vidas humanas.
Nas últimas décadas, houve um grande aumento da ocupação territorial sobre áreas
sujeitas às inundações, degradação da mata ciliar, desmatamento desenfreado,
impermeabilização dos terrenos, descartes inadequados de resíduos domiciliares sobre
encostas e nos cursos d’água, agravando a formação dessas enchentes. Este fenômeno
natural é condicionado a fatores climáticos, principalmente às chuvas intensas de verão,
cujos efeitos são agravados pelas características do relevo, rios e córregos com
declividades acentuadas, que drenam essas águas para as regiões mais baixas e
ocupadas pela população (SEMADS, 2001).
Para minimizar os efeitos das enchentes nessas áreas urbanizadas são feitas intervenções
físicas, obras de retificação e canalização para direcionar e conduzir as águas das
enchentes o mais rápido possível rio abaixo, com o objetivo de melhorar o fluxo das
águas e permitir a ocupação do solo, esperando assim conter o agravamento dessas
2
enchentes e reduzir o prejuízo. Pode-se pensar que, embora essas obras proporcionem
grandes melhorias locais em épocas de enchentes mais freqüentes, muitas vezes
transferem o problema para jusante, agravando o problema, pois, em geral, as
intervenções são realizadas isoladamente e voltadas exclusivamente para os problemas
locais.
Deve-se restabelecer, o quanto possível, a retenção natural nas cabeceiras, nas matas,
nas áreas ribeirinhas e conservar as áreas de inundações ainda existentes, em lugar de
direcionar e acelerar as águas de enchentes rio abaixo.
É importante, também, avaliar novas estratégias no controle de enchentes, a importância
de se proteger tanto a área urbanizada quanto a população existente, considerando os
aspectos sociais e econômicos, o ecossistema e as necessidades do próprio rio. É
impossível evitar as grandes enchentes; porem é possível conter o agravamento dessas
enchentes e reduzir os prejuízos.
A tendência do homem é ocupar a bacia hidrográfica a partir das áreas planas, no
sentindo daquelas mais altas, para ficar mais próximo dos rios e dos terrenos mais
favoráveis e férteis. À medida que a área urbana se expande para a parte superior da
bacia, a capacidade de retenção natural vai sendo descaracterizada. Isso se dá pelo
desmatamento, pela mudança dos padrões naturais de drenagem e pela
impermeabilização do solo e do aterro de áreas alagadiças.
I.2. Objetivo
Esta dissertação tem como objetivo mapear, analisar e consolidar um diagnóstico de
zonas alagáveis no sistema de drenagem da bacia do rio Brandão em Volta Redonda.
O modelo selecionado para esta aplicação foi o modelo matemático de células de
escoamento, MODCEL, desenvolvido no Laboratório de Hidráulica Computacional /
COPPE – UFRJ como ferramenta para tomada de decisões de intervenções para o
controle de cheias.
3
Dessa forma, o presente trabalho simulará o escoamento existente na bacia do rio
Brandão, com o objetivo de avaliar a influência de seus dois afluentes, o córrego
Cachoeirinha e o córrego Cafuá, sobre o rio, e identificar quais sub-bacias são mais
importantes nos processos de alagamento avaliando como estes ocorrem a partir do
desenvolvimento de novos cenários.
I.3. Motivação
As enchentes tornaram-se parte da rotina dos habitantes dos grandes centros, em
decorrência da ocupação desordenada do solo, que interfere na mudança dos padrões de
escoamento natural das águas pluviais.
Este trabalho tem como motivação o uso de uma abordagem com visão sistêmica do
processo de enchentes urbanas. Para tal, faz uso de ferramentas de modelação
matemática, destacando o modelo de células, desenvolvido pela COPPE/UFRJ, visando
simular diferente cenário de cheias na bacia do rio Brandão, na cidade de Volta
Redonda, diagnosticando e avaliando as causas desses eventos naturais, que quando
chegam ao extremo, provocam prejuízos, desconfortos e ate mesmo perda de vidas
humanas.
Nas linhas que se seguem abaixo, é feita uma pesquisa sobre as áreas mais afetadas
dessa bacia, que justificam e motivam o interesse pelo estudo aqui desenvolvido.
Verificou-se, com essas pesquisas, que o bairro Vila Santa Cecília sofria com as
enchentes causadas pelos rios Brandão e Cachoeirinha. Os moradores das ruas 18A,
18B e 41, próximas aos dois rios, se deparavam todo ano com a elevação das água que
chegava a cerca de um metro e meio de altura. O acúmulo de água atingia pontos de
grande circulação de automóveis, como a Avenida 33 e o entorno da Praça Brasil. No
verão de 1997, uma chuva alagou toda essa região como mostra a figura 1.
4
Figura 1: Rio Brandão transbordou no bairro Vila Santa Cecília.
(Fonte: site Jornal Diário do Vale).
De acordo com a Empresa de Processamento de Dados (EPD), uma série de obras foram
feitas no leito dos dois rios que cortam o bairro. Em entrevista ao Jornal Local Diário do
Vale, o secretário municipal de obras, José Jerônimo Telles Filho, explicou que
engenheiros da prefeitura buscaram soluções para evitar novas enchentes em algumas
localidades. Uma delas foi o conjunto de obras no Brandão.
“Alargamos as margens desse rio e fizemos o desvio do Córrego Cachoeirinha, que
desembocava direto no Brandão. Tal obra facilitou o fluxo das águas.”
Após a conclusão dessas obras a ocorrência dessas enchentes diminui. Mas esses
eventos ainda ocorrem nos períodos de chuvas na rua 33 e na Praça Brasil.
Outro cenário problemático abrange os bairros Vila Rica, Jardim Tiradentes, Casa de
Pedra e Siderópolis. Nessa região foram feitas obras aumentando a seção do córrego e
as contenções das margens, mas essas contenções vêm sendo destruídas pelas chuvas. O
córrego, que corta essa região, não dá vazão à intensidade das águas provenientes das
chuvas ocorridas, geralmente entre os meses de novembro e março. É comum
moradores dos bairros acima mencionados enfrentarem anualmente enchentes e
alagamentos que atingem ruas e casas.
Segundo mesma fonte (Jornal local Diário do Vale), em 1984 utilizou-se a tecnologia
dos gabiões para a construção dos muros de contenção das laterais do Rio Brandão. O
projeto, que acabou com os alagamentos nas ruas da Vila Santa Cecília, facilitou o fluxo
das águas do rio Brandão durante as chuvas. No início do governo do prefeito Antônio
5
Francisco Neto, em 1996, essa obra recebeu um reforço. Foram removidos os
obstáculos que causavam a retenção das águas, como rochas no fundo do rio. As
correções, realizadas pela Secretaria de Obras, aumentaram a velocidade das
enxurradas, que começaram a solapar as bases do gabiões, provocando um novo
problema. A situação se complicou ainda mais com o aumento do número de moradores
nos bairros Jardim Esperança, Siderópolis e Casa de Pedra, assim como o surgimento de
novos bairros, entre eles, Jardim Tiradentes, Vila Rica, Jardim Belvedere e a construção
da Rodovia do Contorno, esta obra ainda inacaba. Esse aumento populacional
contribuiu bastante na intensificação do volume de água despejado no Brandão.
Em 2004 houve um grande aumento de ocorrências de enchentes, começando no início
de janeiro. Segundo dados da Defesa Civil, este período foi considerado o mais elevado
dos últimos anos. O balanço do órgão aponta dois mortos e uma enchente do Rio
Paraíba do Sul só comparada à cheia de 1948, causando grandes danos à cidade. Nesse
mesmo período, a Secretaria Municipal de Saúde registrou um número elevado de
doenças como hepatite, leptospirose, tétano e diarréia. Em conseqüência desse período
de enchentes, mais de 120 pessoas ficaram desabrigadas.
Figura 2: Efeitos da chuva de 2005(Fonte: site Jornal Diário do Vale).
Em 2005, a maior parte da contenção das margens do córrego do rio Brandão, na rua
41-C na Vila Santa Cecília, cedeu, ameaçando desmoronar metade da rua devido ao
afundamento e deslocamento das margens do córrego como visto na figura 2. Em 2006
o prefeito Gothardo Lopes Netto autorizou a obra de recomposição das margens que foi
concluída pela empreiteira Geoportante Engenharia Ltda, de Petrópolis(RJ), vencedora
da licitação. O investimento total foi de R$ 460 mil, 954 reais, 40 centavos.
6
A Prefeitura de Volta Redonda avaliava a possibilidade de construir uma barragem no
Brandão perto da Casa de Portugal. Pretendia-se fazer um reservatório temporário para
amortecer as inundações, mas devido ao elevado custo optou-se pela construção de uma
galeria extravasora com o desvio do córrego Cachoeirinha, que desembocava direto no
Brandão (IPPU/VR, 2002).
Para solucionar o problema das enchentes existem duas regras básicas: deixar as águas
correrem ou não deixar as águas correrem. Partindo do princípio de se solucionar os
problemas de enchentes neste região, pretende-se analisar no rio Brandão o quanto de
água consegue escoar sem causar danos à população e com isso avaliar se as futuras
obras serão viáveis.
I.4. Escopo
Essa dissertação foi dividida em 7 capítulos: Introdução, Histórico da Região, Revisão
Bibliográfica, Modelo de Células – MODCEL, Metodologia, Resultados, Conclusões e
Recomendações.
Neste primeiro capítulo, foram feitas considerações gerais, apresentados os objetivos
que se pretende alcançar durante o estudo e a motivação da escolha do tema.
No segundo capítulo, é apresentado a caracterização da área em estudo como um todo, a
cidade de Volta Redonda, bem como o da área escolhida para aplicação do sistema em
particular, a bacia do rio Brandão.
No Capitulo III faz uma breve revisão bibliográfica sobre cheias urbanas, drenagem
urbana e aplicação dos modelos matemáticos.
O Capítulo IV traz o modelo matemático selecionado para ser utilizado no estudo, o
MODCEL.
O Capítulo V traz a metodologia empregada no estudo, bem como as adaptações e
modificações feitas na calibração a fim de que o modelo funcionasse adequadamente
para a região.
No Capítulo VI, serão apresentados os resultados obtidos com a aplicação do modelo.
8
II. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO
Uma das prioridades atuais da sociedade é estruturar formas de preservação ambiental,
levando-se em conta todos os impactos que a natureza recebe, em nome do avanço
tecnológico e tendo como meta a busca de soluções que permitam salvaguardar o futuro
do planeta.
Os rios abastecem várias cidades e proporcionam vários tipos de recursos para as
populações, mas vem sendo degradados de forma irracional, destruindo indiretamente
comunidades e cidade com o problema das enchentes urbanas, que vem fazendo parte
da rotina dos habitantes de grandes centros, tornando um fato cotidiano e indesejável.
Durante séculos, a maior parte da população concentrou-se em áreas rurais. Após o
advento da Revolução Industrial, houve um rápido processo de urbanização, afetando
diretamente os padrões da drenagem natural.
Em paises pobres, o processo de urbanização foi mais agravante ainda, caracterizando-
se desordenado e desarticulado, apresentando uma urbanização caótica que se reflete em
uma série de transtornos e perturbações para a comunidade. O crescimento das cheias
está diretamente relacionado à forma de ocupação do solo urbano. Esta ocupação, nem
sempre ordenada ou planejada, costuma interferir diretamente na mudança dos padrões
de escoamento natural e iniciar o processo de ocorrência de enchentes urbanas. A
redução da cobertura vegetal, o aumento da impermeabilização e outros fatores em geral
agravam o problema nas áreas mais baixas da bacia.
A cobertura vegetal da bacia tem a função de proteger o seu solo das precipitações,
funcionando também como obstáculo para o escoamento superficial, podendo reter um
volume da ordem de 25% do precipitado. Sua configuração em equilíbrio permite a
infiltração das águas pluviais, recarregando o lençol freático e garantindo as vazões de
base dos córregos e rios da bacia (SEMADS, 2001).
A ocupação das áreas urbanas modifica o uso do solo com a retirada e substituição da
camada vegetal original acarretando uma impermeabilização da bacia, alterando a
situação original de equilíbrio, modificando as parcelas do balanço hídrico da região,
9
reduzindo a capacidade de infiltração do solo e aumentando o volume superficial de
água disponível para o escoamento. A retirada da cobertura vegetal promove também
um aumento na velocidade do escoamento das águas superficiais, aumentando e
adiantando o pico de cheias, já que o aumento da parcela de águas superficiais
disponibiliza maiores vazões para o seu escoamento e este passa a escoar de forma mais
rápida graças à redução da cobertura vegetal e de outros obstáculos e retenções
superficiais (SEMADS, 2001).
Este quadro geral acontece nos principais centros urbanos do Brasil, dentre eles a cidade
de Volta Redonda / RJ, objeto de estudo deste trabalho.
II.1 O Município de Volta Redonda
O município de Volta Redonda, criado pela Lei no 2185 de 17 de Julho de 1954, faz
parte da Região-Programa Industrial do Médio Paraíba, se localizando no trecho inferior
do médio vale do rio, entre as serras do Mar e da Mantiqueira, entre os paralelos
22º24’11” e 22º 38’ de latitude sul e os meridianos 44º9’25” e 44º 25’ de longitude
oeste, segundo Greenwich (FEEMA, 1990)
A cidade de Volta Redonda passou por vários transtornos e, de modo especial, a partir
dos anos 40. O pequeno núcleo com aproximadamente 3 mil habitantes cresceu
rapidamente devido a implantação da CSN (Companhia Siderúrgica Nacional). Esta
expansão urbana acarretou danos significativos ao meio ambiente, sobretudo ao que se
refere às conseqüências geradas pela industrialização sem nenhum planejamento que
levasse em conta a manutenção do equilíbrio ecológico. O fato de estar em um fundo de
vale (Vale do rio Paraíba – entre as serras do Mar e Mantiqueira) impede a livre
circulação dos ventos, tornando as condições de dispersão atmosférica bastante
desfavorável (IPPUVR – 1994).
O ar da região de Volta Redonda recebe grande volumes de gases e material
particulado, causadores diretos de problemas de saúde da população e de alterações no
micro-clima. (FEEMA, 2000).
10
Quanto ao rio Paraíba do Sul, este já chega em Volta Redonda poluído pelo uso de suas
águas no Estado de São Paulo e por outras cidades do Rio de Janeiro, pois as águas, ao
passarem por áreas mais industrializadas e populosas, recebem uma considerável carga
orgânica e química (Mello & Vasconcelos, 1998). A CSN é a responsável pelo maior
volume de efluentes industriais despejados no rio Paraíba do Sul na região de Volta
Redonda (IPPUVR, 1999). Porém, não é a única, visto que outras industrias também
situadas à margem do rio e de seus afluentes lançam grande cargas de poluentes
químicos (IPPUVR, 2000).
O clima de Volta Redonda é considerado como de elevada umidade relativa do ar, com
verões quentes e úmidos e invernos secos (classificação de Koppen). A temperatura
média do ar varia entre 21º C e 16º C. A estação chuvosa vai de outubro a março,
incluindo o verão, tendo em média 130 dias de chuva por ano. O período seco engloba o
inverno, sendo julho e agosto os meses de tempo mais estável e, neste período, a
umidade relativa do ar é baixa. Os ventos predominantes são de sentido noroeste. Como
exemplo de alteração no micro-clima é comum, no inverno, o fenômeno da inversão
térmica, causada pela poluição que permanece sobre a cidade, formando uma camada
que impede a penetração dos raios solares, diminuindo a insolação e dificultando a
dispersão de calor e das novas cargas de poluentes lançadas a cada dia (FEEMA, 2000).
As águas de escoamento superficial do rio Paraíba do Sul, ao passarem livremente pelas
encostas muito inclinadas e com cobertura vegetal ausente ou alterada pela ação
antrópica, trazem uma volumosa carga de fragmentos minerais que servem tanto para
colmatar o fundo da calha do rio, quanto para elevar a carga de particulados em
suspensão que são levados no sentido de jusante das águas (Mello & Vasconcelos,
1998).
Para o rio Paraíba do Sul, os valores médios anuais de vazão são da ordem de 318 m3/s.
Em épocas de estiagem, estes valores variam de 109 a 225 m3/s (FEEMA, 2000). As
vazões de cheias, que correspondem somente a 10% das descargas, igualam-se ou
excedem a 500 m3/s (FEEMA, 2000).
O regime hidrológico do rio Paraíba do Sul apresenta um período de águas baixas que
vai de julho a outubro, com as vazões mínimas ocorrendo com maior freqüência em
11
setembro. O período de águas altas do rio Paraíba do Sul vai de dezembro a março,
sendo que as maiores vazões ocorrem, geralmente, em fevereiro. As descargas de modo
geral, acompanham os índices de precipitação (Bizerril et all, 1998).
A bacia hidrográfica do rio Paraíba do Sul na região de Volta Redonda é caracterizada
pelo grande número de riachos e córregos perpendiculares ao rio Paraíba do Sul, que é o
corpo receptor natural de toda a malha hidrográfica do município. Os principais
afluentes do rio Paraíba do Sul nesta região pela margem esquerda são: Ribeirão do
Inferno, os córregos Santa Rita, Coqueiros, do Retiro e Ano Bom. Pela margem direita
os principais afluentes são: os córregos Ponte Alta, Secades, Ribeirão Brandão, Água
Limpa e Três Poços (IPPUVR, 1994). Todas essas bacias estão freqüentemente
envolvidas com problemas de inundações, como a ocorrida em decorrência das fortes
chuvas que caíram na bacia dos rios Brandão e Cachoeirinha no verão de 97 e assolaram
o bairro Vila Santa Cecília na região central da cidade (IPPUVR, 1997).
II.2. A Bacia Hidrográfica do rio Brandão
A bacia do rio Brandão faz parte da malha hidrográfica do município de Volta Redonda,
tendo como receptor o rio Paraíba do Sul e se localiza na margem direita desse rio. Do
ponto de vista topográfico, o território possui uma área de planície aluvionar de 80,2
km2 e encontra-se embutida no conjunto de elevações circundantes, que formam a área
do “mar de morros”.
As inundações nas bacias do Brandão e do Cachoeirinha, seu afluente, conforme
informações locais, tinham periodicidade de 5 anos, e passaram a ocorrer anualmente
(duas em 1997), provocando grandes transtornos e prejuízos consideráveis a moradores
e comerciantes da região central. Essas ocorrências vinham aumentando
consideravelmente influenciadas pelos seguintes fatores:
• a expansão de bairros e a construção de loteamentos e conjuntos residenciais
impermeabilizaram grandes áreas a montante, eliminando grandes áreas que
atuavam com os reservatórios naturais no amortecimento das vazões. O
incremento das vazões de cheias era incompatível com as dimensões das
12
canalizações implantadas nos cursos inferiores dessas bacias, praticamente
inalteráveis em presença da urbanização já consolidada;
• o assoreamento do curso inferior devido ao desmatamento e erosão das encostas,
e a desestabilização e erosão das margens, intensificando o transporte sólido;
• o despejo de lixo urbano, esgoto doméstico e entulhos de construções
diretamente nas calhas, contribuindo para acelerar o processo de assoreamento.
Os pontos críticos que contribuíram para a elevação das alturas de inundações no
Brandão e Cachoeirinha na região do centro foram apontados no relatório elaborado
pelo Instituto de Pesquisa e Planejamento Urbano de Volta Redonda (IPPUVR, 1997).
Estes dizem respeito a travessias que estreitavam a seção dos canais, tubulações que
atravessavam as seções a meia altura, assoreamento, dentre outros. Os pontos críticos
são apresentados na tabela abaixo. As figuras 3 e 4 apresentam os mapas indicando os
pontos de alagamento.
Tabela 1: Pontos críticos apontados no relatório elaborado pelo Instituto de Pesquisa e Planejamento (IPPUVR, 1997).
Pontos Críticos Localização
1 rua 41 e rua 41C, ponto de referência rua do Hospital Vita
2 Ponte entre as ruas 41 e 41C.
3 Ruas 18 A, 18 B, 33 e praça Brasil
4 Ponte com as ruas 26, 41 e 41 C
13
Figura 3: Mapa da região de Volta Redonda indicando os pontos de alagamento da cidade.
P1 •
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• P4
15
III. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Com esse processo de mudança do perfil de distribuição da população, passando das
áreas rurais para áreas urbanizadas, o problema de enchentes urbanas começou a fazer
parte da rotina dos habitantes das grandes cidades com grande freqüência.
Desde a antiguidade, as cheias sempre interferiram na vida de diversas comunidades e
civilizações, com eventuais efeitos danosos a população, mas também com benefícios,
como no caso da irrigação, quando inundava as planícies que margeavam os rios,
através de diques construídos longitudinalmente aos mesmos, que impediam que a água
que transbordava voltasse à sua calha, formando bacias de infiltração.
A hidrologia e a hidráulica começaram a se desenvolver devido ao crescimento do
conhecimento humano aliado ao interesse de melhor compreensão dos processos e dos
fenômenos naturais de escoamento. Biswas (1970) relata em seus estudos este
desenvolvimento e conta que no século XVI, o arquiteto Giovani Fontana levantou
informações sobre a elevação do rio Tibre em Roma e investigou a cheia ocorrida
durante o Natal de 1598.
Na época, não se tinha o conhecimento dos resultados produzidos por chuvas e ventos
fortes que se fizeram presentes por longo tempo na época de ocorrência da cheia. A falta
de informação gerou efeitos negativos sobre a população local que se estabelecia onde
diferentes rios e canais aportavam no Tibre.
Portanto, Fontana fez um levantamento dos rios que contribuíam com volumes de água
para o Tibre. Mediu a profundidade e a largura dos cursos d'água em condições normais
e de cheia de forma a determinar a área molhada da seção transversal de escoamento e a
vazão pela fórmula "Q = A”. Apesar da incorreção, Fontana chegou a conclusão de que
era necessário melhorar as condições do leito do rio para eliminar os efeito da cheia em
Roma.
No século XVII, Castelli publicou um trabalho em que mostrava a relação entre a
velocidade de escoamento e a vazão de um rio. Ainda naquele século, Giovani
Guglielmini tentou resolver problemas de escoamento em rios através de observações
16
de campo, contribuindo no desenvolvimento de conceitos e princípios gerais de
escoamento em canais abertos. Já no século XVIII, Chézy desenvolveu a fórmula de
escoamento uniforme em rios que levou o seu nome.
Tem-se o início dos modelos matemáticos de escoamento com o trabalho de Saint-
Venant e Boussinesq (1871), que formulou as equações de escoamento não permanente
e variado, partindo dos princípios de conservação de massa e da quantidade de
movimento. Isaacson, Stoker e Troesch (1956) construíram e aplicaram um modelo
matemático para trechos dos rios Mississipi e Ohio. Importantes conceitos teóricos
foram estabelecidos na primeira metade do século XX, mas as aplicações destes
princípios em Engenharia só foram possíveis com a chegada dos computadores.
O primeiro modelo matemático bidimensional foi proposto e construído na década de
1960, pela Societé Grenobloise d'Etudes et Applications Hydrauliques (SOGREAH), a
pedido da UNESCO, para aplicar ao delta do rio Mekong e foi apresentado na revista La
Houille Blanche (1968). Zanobetti e Lorgeré reproduziram a área alagada de todo o
delta, considerando as cheias naturais e as cheias modificadas pela construção de uma
barragem que atenuaria as mesmas e ainda favoreceria a regularização do rio, para a
navegação e a irrigação, na época da estiagem. O modelo dividia a bacia do rio em
células de armazenamento, representando trechos de rio e de planície.
A seguir têm-se outras publicações que aplicaram esse tipo de modelo para diversas
regiões, como: no Pantanal de Mopipi (Hutchison e Midgley, 1973); bacia do rio Mono
(Cunge, 1975); bacia do rio Senegal (Cunge, 1975; Cunge, Holly e Verwey, 1980); rio
Mfolozi/Estuário Santa Lúcia (Weiss e Midgley, 1978); bacia superior do rio Rhône
(Cunge, Holly e Verwey, 1980); bacia do rio Paraná em Yacyreta/Apipe (Major, Lara,
Cunge, 1985).
Com o aparecimento e a evolução dos computadores digitais e um melhor
conhecimento e desenvolvimento de técnicas de modelação numérica, a reprodução de
padrões de escoamento foi facilitada, auxiliando a compreensão de enchentes urbanas
em novos estudos.
17
Em junho de 1991, foi realizado, na antiga Iugoslávia, a Conferencia Nacional sobre
Drenagem Urbana e Novas Tecnologias. Djordjevic, Ivetic, Maksimovic e Rajcevic
(1991) propôs a modelação de ruas alagadas sobre galerias, numa aproximação
unidimensional, de modo a integrar estes dois escoamentos. Sua proposição introduz, no
modelo, uma bacia fictícia sobre o poço de visita de modo que, quando a carga no poço
atinge o nível da rua, a bacia passa a ser preenchida sem qualquer interação com sua
vizinhança. Uma vez que a vazão total de entrada no poço de visita seja menor que a
vazão total de saída, a água da bacia fictícia passa a ser escoada para fora da mesma,
retornando ao sistema de drenagem.
Maksimovic (1991) faz uso de uma ferramenta educacional para o treinamento de
engenheiros na aplicação de modelos computacionais, para avaliação da capacidade de
sistemas de drenagem existentes e para o projeto de novos sistemas. Focou-se no
processo de transformação de chuva em vazão, dando ênfase ao escoamento superficial.
Para isto, criou-se então, uma bacia hipotética em modelo, que permitiu a simulação de
diferentes graus de impermeabilização, diferentes padrões de escoamento e diferentes
possibilidades de controle de escoamento em lotes.
Tem-se, no Brasil, a dissertação de mestrado apresentada por Miguez (Miguez e
Mascarenhas, 1994), que apresenta um modelo de células para escoamentos bi-
dimensionais, para a representação de trechos de rio e planície de uma bacia
hidrográfica. Neste trabalho, fez-se uma subdivisão da bacia mostrando que o
escoamento pode ocorrer em várias direções no plano horizontal, modelando os padrões
de movimento das cheias. As leis de descarga entre as células obedecem as relações
hidráulicas conhecidas, do tipo escoamento em canal ou sobre vertedouro de soleira
espessa, cujos coeficientes de vazão são os principais parâmetros do modelo. A solução
numérica foi baseada no método de dupla varredura, para economia do tempo de cálculo
e espaço de memória computacional de armazenamento. Este modelo foi aplicado ao
Pantanal Mato-Grossense, uma grande planície rural alagável e uma região que possui
grande interesse econômico e ambiental.
Coffman, Cheng, Weinstein e Clar (1999) preconizam o uso de projetos de baixo
impacto, ou seja, aqueles que utilizam procedimentos de análise hidrológica com o
objetivo de compreender o funcionamento da bacia no pré-desenvolvimento e no
18
pósdesenvolvimento da mesma. A aproximação para análises e projetos hidrológicos de
baixo impacto se baseia em quatro elementos principais:
• manter o tempo de concentração de pré-desenvolvimento para minimizar o
aumento do pico do escoamento superficial no pós-desenvolvimento através do
alongamento dos cursos d'água, da suavização dos declives, e do aumento da
rugosidade das superfícies;
• prever reservatórios de retenção para amortecimento do pico de escoamento
superficial e também para controle da qualidade da água;
• prover reservatórios de detenção adicionais, se necessário, para manter o pico de
escoamento superficial e para aliviar problemas existentes de inundação.
Araújo, Goldenfum e Tucci (1999) dizem que a taxa de crescimento significativo da
população e o aumento das superfícies impermeáveis das áreas urbanas vêm se
apresentando como um grande problema para as médias e grandes cidades brasileiras.
Devido a falta de planejamento na ocupação dos espaços urbanos, houve um aumento
significativo das inundações, devido ao aumento das vazões máximas, à produção de
sedimentos e à deterioração da qualidade da água. As soluções encontradas por parte do
poder público têm sido a construção de novas redes de drenagem, que simplesmente
transferem a inundação de um ponto para outro, sem que se avaliem os reais benefícios
da obra, em termos sistêmicos.
Com o crescimento das zonas urbanas das cidades brasileiras, aumentou a freqüência e
magnitude das cheias, como resultado da impermeabilização de grandes áreas,
implicando maior escoamento superficial, menores perdas por infiltração e na queda da
capacidade de amortecimento natural da bacia. A modificação do meio natural implica
em alterações nos caminhos naturais da água das chuvas, que deixa de escoar por
córregos temporários e passa a deslocar-se por tubos e canais subterrâneos ou abertos,
contornando o sistema de drenagem pluvial. Este sistema, tradicionalmente, tem a tarefa
de expulsar o volume de água que precipita sobre a área urbana da forma mais rápida e
com o menor risco possível (Cruz, Araújo e Souza,1999).
Com o objetivo de modelar matematicamente o comportamento do movimento de
cheias em áreas urbanas, tem-se, a dissertação de doutorado de Miguez (2001), tendo
19
por base a concepção do modelo de células de escoamento aplicada ao estudo de
enchentes na bacia do Canal do Mangue, localizada na cidade do Rio de Janeiro. Nesse
estudo, foram avaliados os efeitos de um conjunto de obras de controle de enchentes
distribuídas sobre a bacia para mitigação dos alagamentos na área.
A dissertação de mestrado de Villas Boas (Boas, 2008) apresenta o estudo e a aplicação
do modelo de células como ferramenta de apoio à decisão na gestão de recursos
hídricos. O modelo foi desenvolvido e aplicado com a finalidade de permitir simulações
de diversos processos que interferem na quantidade e qualidade da água na bacia e é
composto por quatro módulos responsáveis pelas simulações hidrodinâmicas,
hidrológicas, de gerenciamento e de qualidade da água.
Para a região em questão, objeto deste trabalho, foi realizado, pela COPPE (2000), na
bacia do rio Brandão, um trabalho em que apontou essa bacia como sendo a mais
problemática juntamente com seu afluente, o córrego Cachoeirinha, contribuintes pela
margem direita do rio Paraíba do Sul. Tanto o Brandão quanto o Cachoeirinha foram
responsáveis pelas inundações ocorridas na região central de Volta Redonda durante as
fortes chuvas que ocorreram em janeiro de 1997 e 1999. As enchentes, principalmente
as ocorridas em 1997, assolaram o centro comercial da cidade e o bairro Vila Santa
Cecília, causando transtornos e prejuízos aos moradores.
Nesse relatório, refere-se à possibilidade de se atuar com maior eficiência no controle
das enchentes do Brandão e do Cachoeirinha, por meio da construção de barragens a
montante do centro urbano, capazes de armazenar temporariamente uma boa parcela dos
volumes escoados. As dificuldades de uma intervenção maciça no trecho urbano já
canalizado e com ocupação marginal consolidada, tornou atraente a alternativa do
barramento (LHC/UFRJ, 2000). Essa visão contrapõe-se a visão tradicional da
canalização, que vem nos últimos anos, norteando as ações da prefeitura
Estudos preliminares desenvolvidos pela empresa de consultoria Hidroconsult,
apontaram três possíveis eixos para as barragens, dois deles no Brandão e outro no
Cachoeirinha. O eixo 2, localizado no Brandão, foi o escolhido para ser avaliado pelo
Programa de Investimentos, com base em recomendação do IPPU-VR. As análises
efetuadas também em caráter preliminar no âmbito do Programa de Investimentos
20
foram favoráveis ao aprofundamento dos estudos das barragens a partir de um estudo
hidrológico consistente e de restituições aerofotogramétricas atualizadas e em escala
adequada, para uma determinação precisa da curva Cota x Área x Volume do
reservatório (LHC/UFRJ, 2000).
Foi feito um diagnóstico sobre as condições atuais de drenagem e um exame das
alternativas de obras a serem implantadas prioritariamente. Incluem-se aí, uma
avaliação sobre o desempenho da barragem para controle de cheias do ribeirão Brandão
com diferentes períodos de recorrência e o conjunto de intervenções corretivas
necessárias nos estirões urbanos.
A tendência atual, na área de drenagem urbana, é a busca da manutenção das condições
de pré-desenvolvimento dos escoamentos das bacias, surgindo assim, como uma
solução desses problemas, a utilização de dispositivos de acréscimo de infiltração e de
retardo do escoamento. O pavimento permeável é um dos dispositivos de infiltração que
consegue manter ou reproduzir as condições de pré-desenvolvimento do escoamento em
uma bacia hidrográfica (Araújo, Goldenfum e Tucci,1999), mas o uso desses
pavimentos permeáveis é restrito pois possui uma baixa capacidade de suporte. Sua
execução somente é possível em locais com rampas suaves, terrenos com boa
capacidade de infiltração e lençol freático relativamente profundo (figura 5).
Figura 5: Pavimento permeável (Urbonas e Stahre, 1993).
Algumas outras vantagens são: redução ou eliminação da rede de drenagem,
preservação do equilíbrio de água natural do local, controle das descargas de pico e do
volume do escoamento superficial, remoção de poluentes e uma superfície mais segura
para dirigir. As principais desvantagens são: alto risco de entupimento, necessidade de
inspeções regulares e um possível risco de contaminação das águas subterrâneas.
21
Outras possibilidades de favorecer a infiltração passam pelo uso de trincheiras de
infiltração, valos de infiltração, planos de infiltração, entre outros. Valos de infiltração
são dispositivos de drenagem lateral, muitas vezes utilizados paralelos às ruas, estradas,
estacionamentos e conjuntos habitacionais (figuras 6 e 7). Estes valos concentram o
fluxo das áreas adjacentes e criam condições para infiltração ao longo do seu
comprimento, devendo ter volume suficiente para não ocorrer transbordamento,
enquanto não ocorre toda a infiltração, funcionando como um reservatório de detenção,
na medida em que a vazão que escoa para a vala seja maior do que a sua capacidade de
infiltração. Nos períodos com pouca precipitação ou de estiagem, ele é mantido seco.
Esse dispositivo é de grande aplicação para o tratamento da qualidade do escoamento
superficial, permitindo, remoção de até 80% dos sólidos em suspensão (AMEC, 2001).
Figura 6: Valo de Infiltração (Urbonas e Stahre, 1993).
Figura 7: Valo de infiltração - detalhe (Urbonas e Stahre, 1993).
22
As trincheiras de infiltração têm seu princípio de funcionamento no armazenamento da
água por tempo suficiente para sua infiltração no solo, tendo bom desempenho na
redução dos volumes escoados e das vazões máximas de enchentes (figuras 8 e 9). Estas
estruturas são constituídas por valetas preenchidas por seixos (brita ou outro material
granular), com uma porosidade em torno de 35%. Um filtro de geotêxtil é colocado
envolvendo o material de enchimento, sendo recoberto por uma camada de seixos,
formando uma superfície drenante. Além da função estrutural, o geotêxtil impede a
entrada de finos na estrutura, reduzindo o risco de colmatação, podendo ainda funcionar
como filtro anticontaminante (Balades et al., 1998).
Figura 8: Trincheira de Infiltração (AMEC, 2001).
Figura 9: Trincheira de infiltração (Woodworth, 2002).
23
Ao interceptar o escoamento superficial, a trincheira de infiltração propicia a recarga do
lençol freático, preservando a vazão de base, também funcionando como um dispositivo
de tratamento da qualidade de água do escoamento superficial, permitindo remoção de
até 80% dos sólidos em suspensão (AMEC, 2001).
Os reservatórios de lote apresentam-se como medidas de controle de cheias urbanas,
dispostas de forma distribuída na bacia hidrográfica, e consistem em pequenos
reservatórios de detenção em lotes urbanizados, que, em conjunto, buscam restaurar a
capacidade de armazenar parte da chuva e retardar o seu escoamento que a bacia tinha
antes de seu desenvolvimento.
Na macro-drenagem, a canalização é a medida estrutural intensiva de aumento da
eficiência do escoamento (figura 10). A canalização amplia a capacidade do rio em
transportar uma determinada vazão, ou seja, sua condutância, através do aumento da
seção, diminuição da rugosidade ou aumento da declividade da linha d’água. Como em
outros casos, essa medida pode ser ineficaz se houver restrição a jusante, como o nível
do mar, ou se existirem obstruções na rede de drenagem. O aprofundamento do canal,
rebaixa a linha d’água podendo evitar inundações, mas esta medida, com o aumento da
extensão do trecho a proteger, pode se tornar economicamente inviável.
Figura 10: Canalização (SEMADS, 2001).
Os reservatórios de detenção e retenção são reservatórios que armazenam água
durante a passagem do pico das cheias e esvaziam em um momento posterior. Esta
redistribuição temporal é responsável pela diminuição da vazão de pico. Este
armazenamento artificial vem substituir o armazenamento que ocorria naturalmente na
bacia, pela interceptação vegetal e pelo armazenamento no solo após infiltração, e foi
24
eliminado ou muito diminuído pelo processo de urbanização. A sua utilização se dá
tanto na macrodrenagem como na microdrenagem, sendo as dimensões a diferença entre
as aplicações. Os reservatórios devem se localizar em talvegues para concentrar vazões
e ter maior efeito. Parques públicos e praças são locais que geralmente dispõem de
espaço e tendem a não ser utilizados durante a chuva. São, portanto, apropriados para
reservatórios de amortecimento, podendo, se for o caso, aproveitar lagos pertencentes à
própria conformação do parque. O uso de reservatórios de detenção em áreas altamente
urbanizadas pode ser por demais custoso, já que este tipo de empreendimento necessita
de grandes áreas para amortecimento da cheia, tornando-se uma medida inviável
economicamente e socialmente. Uma possível solução seria utilizar reservatórios de
detenção em encosta, em talvegues nas vertentes, de forma a aproveitar a
disponibilidade destas áreas (figura 11).
Figura 11: Reservatório de detenção em encostas (SEMADS, 2001).
As limitações, entretanto, dessas medidas de intervenção contra cheias, repetem aquelas
dos pavimentos permeáveis.
Na prática, a reorganização dos escoamentos no tempo, com a manutenção de vazões de
pico similares as da pré-urbanização, passam pelo uso de reservatórios de detenção.
Um cuidado que se deve tomar, porém, na adoção destes, é que não há redução de
volumes. Ao se combinarem vários reservatórios, em pontos distintos da bacia,
especialmente quando considerados afluentes diferentes deve-se cuidar para que picos
25
retardados não se combinem em um tempo posterior ao do fenômeno original, gerando
ainda enchentes.
26
IV. MODELAGEM MATEMÁTICA
O estudo do movimento de cheias tem na modelação matemática e computacional uma
importante ferramenta, pois seu comportamento hidráulico pode ser previsto, mapeando
zonas alagáveis, analisando alternativas de projetos de engenharia, simulando o
escoamento na situação presente e simulando posteriormente a implantação de obras
hidráulicas com o objetivo de se verificar sua efetividade.
Através de um enfoque bidimensional do plano de escoamento, pode-se desenvolver a
modelação de cheias que represente a interação entre rios e áreas alagadas.
Zanobetti, Lorgeré, Preissman e Cunge desenvolveram uma modelação bi-dimensinal
em relação à situação física da planície e não em relação às equações matemáticas, e
aplicaram ao Delta do Mekong onde canais e células de armazenamento formavam uma
rede bi-dimensional no plano horizontal (Zanobetti e Lorgeré, 1968; e Zanobetti,
Lorgeré, Preissman e Cunge, 1970). A modelação inicia-se pela representação
topográfica do local e não pelas equações matemáticas. Neste tipo de abordagem,
supõem que tanto as planícies como o leito do rio principal e seus tributários podem ser
divididos em certo número de células com suas respectivas áreas respeitando suas
fronteiras, contornos naturais ou artificiais, tais como estradas, diques, elevações
naturais do terreno, depressões, sendo essencial a reprodução do padrão de escoamento
observado. Cada célula comunica-se com as suas vizinhas por ligações e essas ligações
correspondem a uma troca de vazão, reproduzindo, assim, a rede de escoamentos dessa
bacia.
Para esse estudo foi, proposto o uso de um modelo de células com base no conceito
proposto por Zanobetti, Lorgeré, Preissman e Cunge para o Delta do Mekong, citado
acima, e foi desenvolvido na COPPE/UFRJ, por Miguez e Mascarenhas (1993, 1994,
1998, 1999, 2000, 2001).
Outros tipos de modelos em versões comerciais, permitem também tratar problemas de
cheias urbanas, como o deste estudo para Volta Redonda. O HEC-HMS, por exemplo,
permite criar um sistema de drenagem e delimitar a bacia hidrográfica e identificar as
zonas inundáveis. O Modelo HEC-HMS é constituído por três componentes: (1) o
27
Modelo de Bacia que contém os elementos hidrológicos da bacia e os parâmetros do
escoamento; (2) o Modelo Meteorológico que contém os dados da precipitação e da
evapotranspiração; e (3) as Especificações de Controle que caracteriza o instante inicial,
o instante final e o intervalo de tempo da simulação (USACE,2003).
O MIKE –URBAN, outro tipo de modelo, é um software para simulações de fluxo,
qualidade de água e transporte de sedimentos em estuários, rios, canais de irrigação e
outros corpos d’água. Trata-se de um modelo unidimensional que permite análises
detalhadas de rios e rede de rios, gerenciamento e operação de sistemas de canais. O seu
modulo hidrodinâmico baseia-se nas soluções das equações não-lineares completas de
Saint-Venant, por meio de diferenças finitas para superfície livre de fluxo variável em
uma dimensão (DHI, 2008).
Um outro modelo é o SWMM que é um software bastante difundido e com grande
aplicação para bacias urbanas. Ele foi desenvolvido pela U.S. EPA (Enviromental
Protection Agency) entre 1969 e 1971, após essa data sofreu diversas atualizações
(James et al., 2003).
IV.1. Modelo de Células de Escoamento – MODCEL
O modelo matemático de células de escoamento, MODCEL, foi desenvolvido com a
finalidade de permitir simulações de diversos processos que interferem com a
quantidade de água na bacia. Tem-se uma representação da realidade física modelada
bem como um conjunto de procedimentos práticos que produzem uma representação
por células da paisagem urbana (Magalhães, 2005).
As águas, ao saírem da rede de drenagem, principalmente em áreas planas e urbanas,
tomam um caminho qualquer sobre a bacia, ditado pelos padrões de urbanização, tendo
um comportamento independente da rede de drenagem, gerando seus próprios padrões
de escoamento e alagando grandes áreas.
O modelo parte do princípio de que uma bacia pode ser subdividida em um conjunto de
compartimentos homogêneos, interligados, chamados de células de escoamento, que se
integram no plano da bacia em um arranjo capaz de reproduzir os padrões de
28
escoamento que ocorrem na bacia. Esse arranjo se dá a partir das interações entre as
células, modeladas através de suas ligações, que formam uma rede de fluxo
bidimensional com possibilidade de escoamento em várias direções. As ligações entre
as células são feitas por meio dos centros de células que reúnem todas as informações
necessárias para o escoamento (Miguez, 2001).
Em um cenário de alagamento, as calçadas podem funcionar como vertedouros para os
rios, as ruas como canais para as águas extravasadas, acumulando essas águas em áreas
indesejadas, alagando casas, construções e praças e não retornando assim a rede de
drenagem. Tem-se o caso em que alagamentos em áreas urbanas podem ser iniciados
mesmo sem extravasamento da rede de macro-drenagem, gerando um padrão de
escoamento particular e distinto daquele dos canais. Isso se dá devido ao mau
funcionamento da micro-drenagem, entupimentos e falta de manutenção.
IV.2. Hipóteses do Modelo de Células
Uma bacia pode ser subdividida em células, formando uma rede de escoamento bi-
dimensional, com possibilidades de escoamento em várias direções nas zonas de
inundações, a partir de relações unidimensionais de troca.
Na célula, o perfil da superfície livre é considerada horizontal, a área dessa superfície
depende da elevação do nível d’água no interior da mesma e o volume de água contido
em cada célula está diretamente relacionado com o nível d’água no centro da mesma, ou
seja, Vi = V (Z i), mas especialmente, V i = Asi x (Zi – Z0i), onde Z0i é a conta do fundo
da célula.
Cada célula comunica-se com células vizinhas, que são arranjadas em um esquema
topológico, constituído por grupos formais, onde uma célula de um dado grupo só pode
se comunicar com células deste mesmo grupo, ou dos grupos imediatamente posterior
ou anterior.
O escoamento entre células pode ser calculado através de leis hidráulicas conhecidas,
como, por exemplo, a equação dinâmica de Saint-Venant, completa ou simplificada, a
equação de escoamento sobre vertedouros, livres ou afogados, a equação de escoamento
29
através de orifícios, equação de escoamento através de bueiros, entre outras várias,
sendo neste estudo, os efeitos de inércia no escoamento que ocorre nos cursos d’água
principais.
A vazão entre duas células adjacentes, em qualquer tempo, é apenas função dos níveis
d’água no centro dessas células, ou seja, Qi,k = Q(Zi, Zk).
As seções transversais de escoamento são tomadas como seções retangulares
equivalentes.
O escoamento pode ocorrer simultaneamente em duas camadas, uma superficial e outra
subterrânea, em galeria, estando as células da superfície e as da galeria associadas por
uma ligação entre elas. Nas galerias, o escoamento é considerado inicialmente à
superfície livre, mas pode vir a sofrer afogamento, passando a ser considerado sob
pressão.
IV.3. Modelação de uma bacia através das células de escoamento
As células podem representar a natureza isoladamente ou em conjuntos, formando
estruturas mais complexas. Um conjunto resumido de tipos de células pode
eventualmente já fornecer grande capacidade de representação, ao se pensar em suas
possíveis associações. Porém, a definição do conjunto de tipos de ligações, que são
representativas de leis hidráulicas que traduzem determinados escoamentos, pode fazer
grande diferença na tentativa de reproduzir a multiplicidade dos padrões de escoamento
de um cenário de modelação. A atividade de modelação topográfica e hidráulica deve
então, contar com um conjunto pré-definido de tipos de células e de tipos possíveis de
ligações entre células. Os tipos de células pré-definido são:
• de rio, ou canal, por onde se desenvolve o escoamento principal da drenagem à
céu aberto;
• de galeria, subterrânea, complementando a rede de drenagem para áreas;
30
• de planície ou, mais genericamente, de superfície, para a representação de
escoamentos a superfície livre em planícies urbanas alagáveis, bem como áreas
de armazenamento, ligadas umas as outras por canais, áreas de vertimento de
água de um rio para ruas vizinhas e vice-versa. Representa a maioria das células
do modelo;
• de reservatório, simulando o armazenamento d’água em um reservatório
temporário de armazenamento, dispondo de uma curva cota x área superficial, a
partir da qual, conhecendo-se a variação de profundidades, pode-se também
conhecer a variação de volume armazenado ;
• de planície natural, sem urbanização, para representação de áreas planas
vegetadas ou áreas elevadas, que tem a finalidade de conduzir água das chuvas
para dentro do modelo.
IV.4. Equações Governantes / Modelação Matemática
A equação da continuidade, que representa o princípio básico de conservação de massa,
escrita para uma célula i, em um dado intervalo de tempo, tem a seguinte forma:
T + Δt
ΔVi = Σ ∫ Q i,k + ∫ Pidt (1) K t t
Onde:
• ΔVi – variação do volume d’água na célula i;
• Q i,k – vazão entra a célula i e uma célula k adjacente à célula i, considerada
positiva da célula k para a i;
• Pi – vazão decorrente da precipitação sobre a célula i;
• Σ - somatório sobre todas as células k ligadas à célula i K
• t - tempo
• Δt – intervalo de tempo
31
A variação do volume em uma célula i, em um intervalo de tempo t, é dada pelo balanço
de entrada e saída d’água nesta célula, através da precipitação que ocorre sobre sua
superfície e das vazões de troca com todas as células k.
Expressando o volume armazenado como uma função da área superficial ASi da célula i,
tem-se:
(2)
Considerando-se apenas os termos de primeira ordem e assumindo-se que a seguinte
relação é válida:
(3)
Pode-se, usando as expressões (1), (2) e (3), fazendo os limites ΔZi e Δt tenderem a
zero, reescrever a equação da continuidade de massa na forma diferencial:
(4)
onde:
- vazão entre as células i e k, vizinhas entre si;
Zi – cota do nível d’água no centro da célula i;
- área superficial do espelho d’água na célula i;
Pi – vazão relativa à chuva ocorrida sobre a célula i e disponível para escoamento;
t – variável independente relativa ao tempo
Como todos os termos do modelo dependem do nível d’água em cada célula, a planície
pode estar inicialmente seca, e que o seu alagamento vai sendo gradualmente calculado,
32
através de transbordamento de rios e lagoas, da água proveniente da chuva ou vinda de
outra célula de planície já alagada.
As leis hidráulicas de descarga entre células podem ser de vários tipos: essas relações
expressarão os tipos de ligações hidráulica disponíveis para representação da
diversidade dos escoamentos, na rede de drenagem e sobre a planície de inundação,
conforme desenvolvimento a seguir, resultando em relações do tipo
(Cunge et al., 1980):
Ligação tipo-rio: este tipo de ligação corresponde ao escoamento em rios e canais.
Ligação tipo-planície: corresponde ao escoamento à superfície livre sem termos de
inércia, sendo usual na ligação entre quadras alagadas, podendo representar o
escoamento através de ruas.
Ligação tipo-transição canal/galeria: representa o escoamento com superfície livre, em
transição do escoamento entre trechos de canais e entradas de galerias, usualmente com
contração do escoamento, ou entre saídas de galerias e trechos de canais, usualmente
com expansão do escoamento.
Ligação Tipo-Galeria Sob Pressão: esta ligação responde pelo escoamento em galerias
inicialmente ocorrendo à superfície livre e evoluindo para possível escoamento sob
pressão, a partir da verificação, passo a passo, do afogamento da galeria.
Ligação Tipo-Vertedouro: esta ligação, que representa o vertimento por
transbordamento do rio ou canal para a planície e entre células da planície em locais
onde barreiras físicas formam fronteiras, que passam a funcionar como vertedouros.
Ligação Tipo Descarga de Galerias Secundárias em Rios ou Canais Principais: para
modelação de saídas de galerias em rios, na situação em que estas chegam
descarregando sua vazão como um vertedouro frontal, em cota superior a do fundo do
rio.
33
Ligação Tipo-Bueiros: basicamente funciona como o escoamento em um vertedouro, ao
redor da borda do bueiro, quando livre, ou como orifício, através das frestas da grade do
bueiro, quando afogado.
IV.5. Condições Iniciais de Contorno
As condições iniciais a serem prescritas, para o sistema de equações resultantes,
correspondem à definição dos níveis d’água em todas as células, de rio e de planície, no
instante de tempo inicial t = 0. Uma célula, que se encontre seca no instante de tempo
inicial, deve receber, como condição inicial, o próprio nível de fundo da mesma.
Em relação às condições de contorno, é necessário impor níveis d’água Z(t) nos
contornos da bacia estudada. Como nem sempre é possível ou desejável a imposição
desse níveis Z(t) podem ocorrer três tipos distintos de condição de contorno:
a) nível d’água dado em função do tempo – Z(t);
b) vazão dada em função do tempo – Q(t);
c) uma dada relação entre vazão e nível d’água – Q(Z).
Esses três tipos de condição de contorno podem ser utilizados para diferentes pontos de
uma mesma bacia em estudo, conforme a sua adequação à área modelada.
IV.6. Estrutura Computacional do Modelo Implícito de Células
A computação, em linhas gerais, para um intervalo de tempo qualquer, acompanha os
passos descritos a seguir:
i) Incremento do tempo.
ii) Início da primeira varredura, de jusante para montante, com um “loop” pelos
grupos.
ii.1) Inicialização das matrizes [M] para cada grupo.
34
ii.2) “Loop” nas células de cada grupo.
ii.2.1) Leitura, no arquivo de dados de consulta, das informações
pertinentes a cada célula de um grupo
ii.2.2) “Loop” nas células vizinhas posteriores, centrais e anteriores, para
cada célula. Caso existam condições de contorno, as informações das
células de contorno são lidas no respectivo arquivo de consulta e faz-se
um “loop” também nestas células. Com este passo repetido para todas as
células do grupo, são calculados, e ficam determinados, todos os
elementos não-nulos das matrizes [M].
ii.3) Cálculo da matriz [E] e do vetor {F} de um grupo.
iii) Fim da primeira varredura, com a determinação dos incrementos de nível {∆Z} do
grupo de montante.
iv) Segunda varredura, de montante para jusante, com a determinação dos incrementos
de nível para todos os grupos, a partir dos valores já calculados de [E] e {F} e do recém-
calculado valor de {∆Z} do grupo de montante.
v) Cálculo dos níveis Z, para todas as células, neste intervalo de tempo, a partir dos
níveis já conhecidos do intervalo de tempo anterior e dos incrementos de nível
calculados no intervalo de tempo atual.
O programa fornece, como saída, seis arquivos no total, sendo dois em formato binário
e quatro em formato texto. Os arquivos em formato binário correspondem a
informações de cotas e vazão em todas as células, em todos os instantes de tempo de
cálculo, com o objetivo de servirem como banco de consulta para posterior traçado de
gráficos. Os arquivos em formato texto são relatórios referentes a:
a) possíveis anomalias de cálculo;
b) cota em todas as células, em todos os intervalos de tempo;
c) estado de inundação da planície, mapeado com símbolos, em todos os intervalos
de tempo;
d) arquivos de saída de cotas e vazões para plotagem de gráficos em planilhas
eletrônicas.
35
V. METODOLOGIA APLICADA
Foram consideradas duas etapas básicas para o presente trabalho:
• Avaliação preliminar da situação atual de cheias na bacia;
• Modelação hidráulica e hidrológica para diagnóstico do processo de formação
das cheias na região.
Para a elaboração da avaliação preliminar, foram feitos levantamentos de dados
pretéritos e da situação atual de cheias na bacia. Essa etapa foi associada a uma
atividade mais descritiva e de reconhecimento da área, caracterizando o problema em
estudo. Essas informações forneceram uma base de referência para a condução da etapa
de modelagem computacional. A modelação da situação atual permitiu a calibração do
modelo e a simulação de diversos cenários. Essa modelação foi desenvolvida com a
utilização do modelo de células de escoamento, MODCEL, apoiado pelo sistema
HIDRO-FLU, que integra e automatiza uma série de estudos hidrológicos e de
dimensionamento de intervenções para bacias de pequeno e médio porte.
A primeira etapa do estudo consiste na análise do padrão natural de escoamento, as
alterações verificadas devido ao processo de ocupação da bacia, e dos problemas
observados na área em estudo, suas causas e conseqüências. Nesta etapa, identificou-se
e delimitou-se o conjunto de áreas inundáveis, que definem as áreas prioritárias de
modelação, determinaram-se os pontos críticos de alagamentos e os padrões de
escoamento das águas extravasadas até os seus locais de disposição final. A avaliação
dos alagamentos na bacia partiu da observação da mancha de alagamentos descritas por
moradores locais e obtidas pela Defesa Civil. Foram observados seis pontos críticos
para a bacia em questão (Anexo A). O primeiro ponto localiza-se mais a jusante da
bacia do rio Brandão, situado na primeira célula do modelo, antes do rio Brandão chegar
ao rio Paraíba do Sul. O segundo ponto situa-se onde o rio Brandão recebe o rio
Cachoeirinha. O terceiro ponto localiza-se no rio Cachoeirinha, um pouco antes de se
encontrar com o rio Brandão. O quarto ponto, já no rio Brandão, localiza-se uma célula
acima do segundo ponto. O quinto ponto localiza-se no próprio rio Brandão em local
mais a montante da bacia. O sexto ponto localiza-se no córrego Cafuá. Os quatro
36
primeiros pontos são os mesmo pontos citados no relatório do IPPU-VR (IPPU/VR,
1997). Os seis pontos são apresentados nas figuras 12, 13, 14, 15, 16 e 17.
Figura 12: Mapa indicando o primeiro ponto crítico de alagamento da bacia do rio
Brandão.
Figura 13: Mapa indicando o segundo ponto crítico de alagamento da bacia do rio
Brandão.
37
Figura 14: Mapa indicando o terceiro ponto crítico de alagamento da bacia do rio
Brandão.
Figura 15: Mapa indicando o quarto ponto crítico de alagamento da bacia do rio Brandão.
38
Figura 16: Mapa indicando o quinto ponto crítico de alagamento da bacia do rio Brandão.
Figura 17: Mapa indicando o sexto ponto crítico de alagamento da bacia do rio Brandão.
39
Foram identificados também, as linhas de escoamento principais e os limites de bacias e
sub-bacias. Definiram-se as regiões limites da modelação, que se tornaram as condições
de contorno para entrada do modelo (condições de contorno associadas à definição de
cota, vazão, ou de relação cota x vazão). Foram utilizadas bases cartográficas em
escalas 1:2000, 1:5000 e 1:10000.
Durante esta etapa, foram realizados estudos dos relatórios anteriores sobre o sistema de
drenagem de Volta Redonda, e uma visita à sede da Prefeitura Municipal de Volta
Redonda, onde foram obtidas informações e mapas aerofotogramétricos, em CD-ROM
e impresso, de boa parte da bacia do rio Brandão, possibilitando o estudo em questão.
Foram feitas divisões em células reproduzindo o padrão de escoamento da bacia, sobre
mapas de escalas compatíveis. Cada célula comunica-se com suas vizinhas através de
leis hidráulicas conhecidas, representando a propagação do escoamento, e que devem
ser definidas dentre as disponíveis.
Confeccionou-se um esquema topológico de acordo com a divisão em células realizada,
indicando as ligações hidráulicas que cada célula realiza com sua vizinha. Deve-se
definir a descrição hidráulica dos tipos de ligações entre as células de maneira que
permita uma representação fiel da realidade do escoamento na bacia.
Para a caracterização de cada célula, são necessárias as seguintes informações: área de
contribuição e de armazenagem; cota do terreno; número e tipos de ligações com células
vizinhas; distância entre células.
A etapa de confecção dos arquivos de entrada de dados é necessária para a tradução dos
dados levantados na bacia para uma linguagem capaz de ser entendida pelo modelo
matemático, possibilitando a realização das simulações. Trata-se da etapa mais
trabalhosa e que demanda maior tempo para sua realização, uma vez que deve ser
elaborada com grande atenção para evitar erros na criação dos arquivos. Para o modelo
de células de escoamento, quatro tipos de arquivos são necessários para o seu
funcionamento:
40
• arquivos de dados iniciais, contendo as informações referentes ao arranjo geral
das células e ao estado inicial de alagamento das células que compõem a bacia
modelada;
• arquivo de características das células, com os dados específicos de cada célula e
de suas ligações com as células vizinhas;
• arquivo de precipitação, indicando a chuva que se precipita sobra cada célula da
área modelada;
• arquivos de condições de contorno, função de rede hidrométrica disponível e dos
limites físicos estabelecidos para o modelo.
A calibração do modelo é feita em duas etapas distintas, uma relacionada com a
calibração dos parâmetros propriamente dita para reproduzir um evento conhecido, e
outra relacionada à verificação da validade do ajuste feito na representação do outro
evento. Os parâmetros a serem ajustados diferem conforme as relações hidráulicas
envolvidas. Seus valores inicias devem ser obtidos através da literatura clássica. Porém,
para efeito de calibração, todas são passiveis de alteração dentro de seus limites físicos
aceitáveis, de forma a se encontrar o conjunto de valores ótimos que retrate, o mais
fielmente possível, o escoamento na bacia modelada. No caso em questão, não se
dispunha de eventos medidos, de modo que esse processo foi simplificado. A calibração
procurou definir parâmetros capazes de reproduzir a mancha de alagamentos críticos
observados na cidade. Não foi feita a validação.
Feito o ajuste dos parâmetros, o modelo é capaz de reproduzir, adequadamente, a
realidade física observada, e permite a simulação de diversos cenários que se pretenda
criar. Com a fase da calibração concluída, o modelo torna-se apto a reproduzir o
comportamento da área modelada para outras condições, simulando cenários com
precipitações distintas e com a presença de intervenções estruturais na bacia, permitindo
a avaliação de seus efeitos e a determinação de eventuais necessidades de correções nos
projetos.
Assim, com o modelo calibrado, a última etapa na modelação compreende a criação,
tendo por base o cenário atual, dos cenários de simulações, tanto para o diagnóstico de
comportamento da bacia, como para a proposição de intervenções. Nessa etapa, são
41
montados os cenários referentes ao conjunto de propostas para conduzir a avaliação em
estudo. Este processo de simulações refere-se a sua capacidade de previsão do
comportamento de uma bacia, englobando as mudanças realizadas em relação a situação
atual. Pode-se então, mapear o alagamento que ocorre para chuvas com diferentes
tempos de recorrência; pode-se avaliar o efeito da modificação da bacia pelo seu
processo de ocupação; pode-se simular o efeito de obras propostas com vistas a
interferir nos padrões de escoamento e propor soluções para os problemas de
alagamentos.
Sintetizando, o modelo MODCEL foi utilizado para a simulação hidrodinâmica do
sistema de drenagem da bacia do rio Brandão. O sistema HIDRO-FLU (Magalhães et
all, 2005) foi utilizado para elaboração dos estudos hidrológicos preliminares à
simulação hidrodinâmica, entre os quais, o cálculo do tempo de concentração da bacia e
de seus afluentes, a determinação da chuva de projeto para os diversos cenários
considerados, determinação dos parâmetros de separação do escoamento superficial; e o
cálculo dos hidrogramas de projeto, representando as condições de contorno para a
modelagem com o MODCEL.
O domínio da região modelada compreende o trecho situado entre a foz do rio Brandão
no rio Paraíba, englobando toda a área urbanizada dessa bacia, juntamente com seus
dois afluentes, córrego Cachoeirinha e córrego Cafuá, compreendendo os bairros Santa
Cecília, Sessenta, Jardim Esperança, Siderópolis, Casa de Pedra, Jardim Tiradentes,
Vista Verde e Vila Rica. A figura 18 ilustra um diagrama unifilar esquemático da rede
de drenagem principal.
42
Figura 18: Diagrama unifilar da rede de drenagem principal da região em estudo e os seis
pontos críticos de alagamento.
As áreas de drenagem das bacias do rio Brandão, Cachoeirinha e Cafuá situadas fora da
região de interesse foram modeladas hidrologicamente e os respectivos hidrogramas
foram representados através de condições de contorno.
V.1. Estudos Hidrológicos
Os estudos hidrológicos abordam os seguintes assuntos: cálculo do tempo de
concentração; determinação da chuva de projeto; cálculo dos hidrogramas referentes às
áreas que serão representadas através de condições de contorno; e, determinação dos
parâmetros de separação de chuva efetiva para as células que compõem a área
modelada.
V.1.1. Cálculo do Tempo de Concentração: o tempo de concentração é utilizado em
projetos de controle de cheias para a determinação da chuva de projeto e, dependendo
da metodologia considerada, para o cálculo de hidrogramas ou de vazões máximas de
projeto. Para uma determinada recorrência, a chuva crítica é, frequentemente, definida
como aquela que apresenta duração igual ao tempo de concentração da bacia.
V.1.2. Metodologia adotada para o cálculo do tempo de concentração: foi utilizada a
fórmula de George Ribeiro para a determinação do tempo de concentração dos trechos a
43
montante da bacia do córrego Cafuá, do rio Cachoeirinha e da bacia principal. Essa
etapa foi feita a partir da análise das plantas planialtimétricas da região e da rede
hidrográfica.
Tomando a fórmula de George Ribeiro como base para o cálculo do tempo de
concentração da região da bacia, tem-se que:
Tc = _________16L0_________
(1,05 – 0,2 p0)(100S0)0,04
onde:
tc – tempo de concentração da bacia (min);
p0 – fração da área da bacia com cobertura vegetal (0 a 1);
L0 – comprimento percorrido do talvegue (km);
S0 – declividade da bacia (m/m).
Para a aplicação dessa fórmula, o comprimento do talvegue foi medido em planta. Uma
estimativa inicial para o valor do percentual da área com cobertura vegetal foi obtido
pela imagem de satélite fornecida pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
(INPE).
A declividade da bacia utilizada nos cálculos com a fórmula de George Ribeiro foi
calculada a partir da integração do perfil longitudinal traçado nas plantas
planialtimétricas.
Tabela 2: Dados para o calculo do tempo de concentração.
Cond.Contorno Área (km2) Declividade (m) Lo (Km) %vegetação Bacia Total 82,2 0.0101 19,45 0.7
Cachoeira (CC- 1023) 12,0 0.0110 8,9 0.9 Brandão (CC-1011) 61,35 0.0193 15,95 0.9 Cafuá (CC – 1017) 0,8 0.0142 2,7 0.9
Cafuá (CC – 1014) 1,4 0.0154 1,4 0.9
Com base nos dados da tabela 2, através do Sistema Hidro-Flu, calculou-se o tempo de
concentração total da bacia do rio Brandão, e estimou-se um tempo de 6 horas para a
duração da chuva de projeto.
44
V.1.3. Cálculo da Chuva de Projeto:
Como já mencionado, a duração da chuva de projeto foi definida como igual a 6 horas.
A chuva de projeto foi elaborada considerando as seguintes hipóteses:
• tempo de recorrência de 20 anos para a chuva aplicada sobre as células e
condições de contorno da bacia;
• duração da chuva igual a 6 horas (equivalente ao tempo de concentração da
bacia do rio Brandão);
• intensidade da chuva da bacia do rio Brandão obtida a partir dos dados
pluviométricos apresentados na publicação “Chuvas Intensas no Brasil”, de
1957, do Eng. Otto Pfafstetter para o posto de Volta Redonda, como mostra a
tabela 2. (Pfafstetter,1957).
Tabela 3: Localização da Estação Pluviométrica Estudada
Estação Código Latitude Longitude Volta Redonda 02244041 22o 30’ 44o 05’
• Distribuição temporal da chuva calculada a partir do Método do Bureau of
Reclamation;
Desta forma, obtiveram-se precipitações totais iguais a 123 mm dividas em 6 horas.
Esta precipitação foi distribuída ao longo do tempo a partir do Método do Bureau of
Reclamation. Na primeira hora com uma chuva de 5 mm, na segunda hora com 14 mm,
na terceira hora com 67 mm, na quarta com 25 mm, na quinta com 9 mm e na ultima
hora uma chuva de 2 mm.
V.1.4. Cálculo dos Hidrogramas das Condições de Contorno:
Uma parcela significativa da área da bacia do rio Brandão e das sub-bacias do córrego
Cafuá e Cachoeirinha não foi modelada através de células. No entanto, estas áreas
também contribuem para a região modelada, uma vez que as chuvas intensas que
precipitam sobre as mesmas transforma-se em escoamento superficial e são conduzidas
para as regiões mais baixas. Assim, essas áreas foram representadas como condições de
contorno do tipo vazão. O cálculo desses hidrogramas foi feito através do Sistema
Hidro-Flu. As figuras 19, 20, 21 e 22 representam os gráficos dos hidrogramas de cada
sub-bacia. Para o rio Paraíba do Sul, foi estabelecida uma condição de contorno (CC-
1130).
49
Os resultados obtidos através do Hidro-Flu consideraram as chuvas apresentadas no
item anterior deste trabalho. O tempo de concentração dessas áreas foi calculado através
da fórmula de George Ribeiro com base nos dados da tabela 4. O método SCS foi
utilizado para o cálculo da chuva efetiva nas condições de contorno. O ajuste do
parâmetro CN desse método foi feito tendo como base em informações das imagens de
satélites fornecidas pelo Instituto Nacional de Pesquisas Aéreas (INPE).
Tabela 4: Resumo dos parâmetros utilizados para o cálculo das condições de contorno. Cond.Contorno Área (km2) TC (min) CN TR
Bacia Total 82,2 360 73 20 Cachoeira (CC- 1023) 12,0 160 65 20 Brandão (CC-1011) 61,35 190 65 20 Cafuá (CC – 1017) 0,8 40 65 20
Cafuá (CC – 1014) 1,4 20 65 20
V.1.5. Separação da Chuva Efetiva na Área Dividida em Células:
O cálculo do escoamento superficial produzido na área modelada através das células de
escoamento é feito pelo próprio MODCEL, utilizando-se o método racional para
separação da chuva efetiva. Assim, cada célula recebe um valor para o seu coeficiente
de runoff. A tabela 5 resume os valores adotados para esse coeficiente em função do
tipo de ocupação e uso do solo observado na célula.
Tabela 5: Parâmetros de separação da chuva efetiva na área modelada por célula. Tipo de Ocupação e Uso do Solo Coeficiente de Runoff
Urbanização muito leve / vegetação rasteira 0,35 Urbanização moderada / área militar 0,55
Urbanização densa 0,75 Espelho d’água (nas células tipo rio) 1,00
50
V.2. MODELAGEM HIDRODONÂMICA
O processo de modelagem hidrodinâmica foi desenvolvido nas seguintes etapas: divisão
da região em células, definição das leis hidráulicas de ligação entre células, elaboração
da topologia representativa do arranjo de células empregado e a calibração do modelo
para a representação da situação atual de cheias na bacia.
V.2.1. Divisão em Células da Bacia do Rio Brandão e Definição das Ligações
Hidráulicas:
A partir de uma análise da bacia em mapas impressos na escala 1:5.000, caracterizando
a topografia e a urbanização da região, iniciou-se o processo de divisão da área em
estudo em células de escoamento. No processo de divisão em células fez-se também a
identificação das leis hidráulicas que representam as comunicações de cada célula com
as suas vizinhas, de forma a configurar uma rede de escoamento apropriada para a área
estudada. Ao término do processo de divisão, foi construído um esquema topológico
que integra a rede de células, mostrando as suas interações e as condições de contorno
que complementam a modelação.
Foram identificados e delimitados, na bacia de estudo, os talvegues e as linhas de
cumeadas principais e secundárias, de modo a definir as principais linhas de
escoamento, como também a rede de drenagem com as condições gerais de escoamento
na bacia. Toda a área urbanizada da bacia em estudo foi modelada em células.
Identificaram-se os limites da região de modelagem (região não urbanizada) e nestes
foram introduzidas as condições de contorno, de acordo com os dados disponíveis para
entrada no modelo, associadas à regiões de montante e ao rio Paraíba do Sul, onde
desemboca o rio Brandão. A bacia do rio Brandão foi dividida em três sub-bacias: a
bacia do rio Cachoeirinha, a bacia do córrego Cafuá, e a bacia do rio Brandão a
montante como mostra a figura 23.
51
Figura 23: Destaque das áreas das sub-bacias do rio Brandão e representação dos locais de
aplicação das condições de contorno.
CC-1130
RIO PARAÍBA DO SUL
CC-1023
CC-1011 CC-1014 CC-1017
RIO BRANDÃO
SUB-BACIA RIO CACHOEIRINHA
SUB-BACIA RIO BRANDÃO
SUB-BACIA CÓRREGO CAFUÁ
52
Foram analisados os cursos d’água principais, de modo a identificar seções de controle,
como contrações, pontes, e caracterizar a declividade destes cursos d’água. Fez-se,
então, a divisão em células pelos cursos d’água principais, fazendo as mudanças de
declividade nos centros de célula, usando seções de controle como fronteiras entre
células. Associou cada uma das células de canal aberto a células laterais de vertimento,
contendo as próprias ruas que margeiam os rios, localizando os centros de células
próximos à margem, de modo a caracterizar um vertedouro de soleira espessa. As
células de vertedouro servem como transição entre as células de canal e as células de
planície, onde as ruas funcionam como canais, quando alagadas, ocorrendo
armazenamento temporário nas próprias quadras.
Foram identificadas as ruas que funcionam como canais principais, ligando os centros
de células vizinhas, definindo as ruas como sendo preponderantes na construção do
padrão de escoamento entre as células de planície. Identificou-se, também, o perfil das
ruas/canais, localizando as mudanças de declividade destes e foi posicionado o centro
de cada célula no ponto de convergência dos canais principais (normalmente nas
interseções das ruas).
As áreas de armazenamento disponíveis em cada célula foram identificadas e
justificadas para, efetivamente, representarem as áreas inundadas em caso de enchentes
urbanas.
As células adjacentes que, eventualmente não se comunicam hidraulicamente, pela
presença de algum obstáculo local, limitando o número de direções de escoamento,
foram identificadas, para que não haja distorção na calibração devido a um posterior
engano na definição do esquema topológico, ou seja, na montagem do modelo de
articulação das células. A partir desses conceitos, chegou-se a uma divisão em células
para a bacia do rio Brandão, conforme mostrado na figura 24.
54
V.2.2 TOPOLOGIA
Após a divisão em células monta-se um esquema articulado de correlações entre células.
Esse esquema é chamado de modelo topológico e permite a compreensão pelo modelo
de como as células integram o espaço modelado e como as relações hidráulicas se
desenvolvem entre as células. Assim, as células são arrumadas em uma matriz tal, cuja
lei básica de formação induz à necessidade de cada célula individualmente se ligar
apenas a outras células de sua vizinhança imediata, ou seja, na mesma linha da matriz,
na linha superior ou na inferior. Essa construção permite ao modelo agrupar as células
em submatrizes que são resolvidas em um processo de dupla varredura, economizando
tempo computacional. O esquema topológico resultante para a bacia do rio Brandão é
mostrado na figura 25.
56
V.2.3. CALIBRAÇÃO
O processo de montagem do cenário atual contou com a utilização de base topográfica
digital da região, com visitas de campo e com o levantamento, por parte da Prefeitura de
Volta Redonda e da Defesa Civil, de dados de enchentes na bacia de estudo.
A figura 26, mostrada na seqüência, apresenta a mancha de alagamento. As figuras 27,
28, 29, 30, 31 e 32 resumem o resultado da calibração realizada para as informações
disponíveis, relacionadas com as manchas de alagamento com uma cheia ocorrida em
janeiro de 1997 para os seis pontos críticos. São apresentados 130 intervalos de tempo,
sendo que cada intervalo de tempo equivale a 5 minutos. Os valores de nível d’água
acima da margem para a chuva de 1997 foram obtidos a partir da observação da mancha
de alagamento descrita por moradores locais. Não obteve dados sobre vazão para esta
cheia. A tabela 6 apresenta os resultados da calibração. Consider-se para este caso, uma
chuva de projeto com 20 anos de tempo de recorrência, obtida a partir de informações
do posto pluviométrico de Volta Redonda (Pfafstetter, 1957).
Tabela 6: Resultado dos níveis d’água e vazão na calibração para cada ponto crítico. Pontos Nível d’água acima da
margem (m) – chuva de 1997
Nível d’água acima da
margem (m) calibração
Vazão (m3/s)
calibração
1 1,5 1,4 182,8
2 2,0 1,7 171,2
3 1,0 1,2 57,1
4 - 0,9 176,2
5 - 1,0 171,5
6 - 0,5 28,2
57
Figura 26: Mancha de alagamento para a situação atual considerando uma chuva de projeto com T.R. de 20 anos.
Alagamentos de 0,00 m a 0,15 m
Alagamentos de 0,15 m a 0,30 m
Alagamentos de 0,30 m a 0,50 m
Alagamentos de 0,50 m a 0,75 m
Alagamentos de 0,75 m a 1,00 m
Alagamentos > 1,00 m
58
Figura 27: Gráfico mostrando o alagamento do ponto 1 da bacia do rio Brandão.
Figura 28: Gráfico mostrando o alagamento do ponto 2 da bacia do rio Brandão.
59
Figura 29: Gráfico mostrando o alagamento do ponto 3 da bacia do rio Brandão.
Figura 30: Gráfico mostrando o alagamento do ponto 4 da bacia do rio Brandão.
Figura 31: Gráfico mostrando o alagamento do ponto 5 da bacia do rio Brandão.
60
Figura 32: Gráfico mostrando o alagamento do ponto 6 da bacia do rio Brandão.
As figuras 33, 34 e 35 mostram a calibração feita paras os rios Brandão, Cachoeirinha e
Cafuá, no que tange a locais identificados de extravasamento da calha.
Figura 33: Gráfico mostrando o fundo, nível d’água, margem direita e margem esquerda do rio Brandão, no que tange a locais indicados de extravasamento da calha.
61
Figura 34: Gráfico mostrando o fundo, nível d’água, margem direita e margem esquerda do rio Cachoeirinha, no que tange a locais indicados de extravasamento da calha.
Figura 35: Gráfico mostrando o fundo, nível d’água, margem direita e margem esquerda do córrego Cafuá, no que tange a locais indicados de extravasamento da calha.
Abaixo, tem-se a tabela 7 mostrando os tempos do pico de cheia para cada ponto e o nível d’água do rio para a calibração.
Tabela 7: Níveis d’água e tempo do pico de cheia para cada ponto na calibração.
PONTOS NÍVEL D’ÁGUA (m) TEMPO DO PICO DE CHEIA 1 6,32 6,0 horas 2 6,70 6,0 horas 3 6,70 6,0 horas 4 6,34 6,0 horas 5 5,90 6,0 horas 6 3,30 2,5 horas
62
Depois de calibrado o modelo foram realizado testes, simulado o escoamento existente
na bacia do rio Brandão, totalizando 11 cenários diferentes.
• Cenário 1 – retira-se a influência do rio Brandão, contabilizando somente a
influência do rio Cachoeirinha e do córrego Cafuá. Nesse cenário, recebe as
condições de contorno do rio Cachoeirinha (CC-1023) e do córrego Cafuá (CC-
1014 e CC-1017) e a chuva que cai sobre toda a bacia. Portanto, zera-se somente
a entrada da condição de contorno tipo vazão para o rio Brandão (CC-1011);
• Cenário 2 – não contabiliza a influência da sub-bacia do rio Cachoeirinha.
Retira-se a contribuição da vazão de entrada deste rio (CC-1023) como também,
a chuva que caía sobre as células desta sub-bacia. Para esse segundo cenário,
analisa-se somente o somatório das influências do rio Brandão e do córrego
Cafuá;
• Cenário 3 – retira–se a chuva que caía sobre as células da sub-bacia do córrego
Cafuá, como também, a contribuição da vazão oriunda desta sub-bacia (CC-
1014 e CC-1017), eliminando a influência do escoamento que se tem nesta sub-
bacia;
Nestes três primeiros cenários, foi retirado somente um rio de cada vez. Já para os
próximos três cenários foram retirados dois rios, podendo observar a influência de
cada um dos rios e córrego, separadamente, observando o comportamento do
escoamento isoladamente.
• Cenário 4 - apresenta o escoamento do rio Brandão isoladamente. Tem-se
neste cenário a retirada das condições de contorno do rio Cachoeirinha (CC-
1023) e do Córrego Cafuá (CC-1014 e CC-1017), como também as chuvas
que caem nestas duas sub-bacias;
• Cenário 5 – apresenta o escoamento do rio Cachoeirinha. Para este caso,
retira-se as condições de contorno do rio Brandão (CC-1011) e do córrego
Cafuá(CC-1014 e CC-1017), e a chuva que cai sobre a sub-bacia do córrego
Cafuá;
• Cenário 6 – apresenta o escoamento do córrego Cafuá. Retira-se as
condições de contorno do rio Brandão (CC-1011) e do rio Cachoeirinha
(CC-1023), como também a chuva que cai sobre as duas sub-bacias;
63
• Cenário 7 - é feita a dragagem na parte baixa do rio Cachoeirinha, logo
chegando na confluência deste com o Brandão, retirando-se 1,0 m do fundo
da calha do rio.
• Cenário 8 - é feita a dragagem para o Córrego Cafuá na célula 127 (ponto 6),
retirando-se 1,0 m do fundo da calha do rio, e retirando a restrição existente
neste local.
• Cenário 9 – é feita uma barragem no trecho de montante do rio Brandão.
Para esta barragem foram aproveitada as informações obtidas no relatório
PPG-RE-36 elaborado pela COPPE para o rio Brandão (LHC / UFRJ, 2000).
• Cenário 10 – é feita a barragem do córrego Cafuá em uma área fora do
modelo.
• Cenário 11 – apresenta a simulação da junção da dragagem do rio
Cachoeirinha, com a barragem do rio Brandão e o alargamento do córrego
Cafuá.
64
VI. DIAGNÓSTICO DAS CHEIAS NA BACIA DO RIO BRANDAO
Neste capítulo, serão apresentados os resultados obtidos na aplicação da modelagem de
cheias, utilizando o MODCEL, como ferramenta, na bacia do rio Brandão.
Resultados Obtidos no Ponto 1:
Os resultados obtidos para o ponto 1, para os cenários de simulações, estão
representados nas figuras 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45 e 46.
Figura 36: Gráfico mostrando o resultado do cenário 1 para o ponto crítico 1.
Figura 37: Gráfico mostrando o resultado do cenário 2 para o ponto crítico 1.
65
Figura 38: Gráfico mostrando o resultado do cenário 3 para o ponto crítico 1.
É possível notar, através da figura 27 apresentada anteriormente que, quando se
considerava todas as condições de contorno e mais a chuva caindo sobre toda a bacia, o
rio, no ponto 1, saía de sua calha e a lâmina d’água sobre estas células chegava a 1,5 m
de altura. Com os resultados obtidos na figuras 36, para o cenário 1, observa-se que o
rio não transborda mais neste ponto. Portanto, quando se retira a influência do rio
Brandão tem-se um resultado satisfatório. Nota-se também, que o pico de cheia se dá
em 4,3 horas, 1 hora e 42 minutos antes do pico de cheia da calibração que é de 6 horas.
Esse pico de cheia é referente às vazões do rio Cachoeirinha e do córrego Cafuá. As
vazões que antes se apresentavam em torno de 180 m3/s, agora passaram para 86 m3/s.
Para o cenário 2, sem a influência da sub-bacia rio Cachoeirinha, houve uma pequena
melhora. Para este ponto, o rio continua a transbordar. A lâmina d’água baixou para 0,9
m e tem-se uma vazão de 160 m3/s. O pico de cheia está em 6,3 horas.
No Cenário 3, sem a contribuição da sub-bacia do córrego Cafuá, não se observa muita
mudança, o rio continua extravasando e a lâmina d’água passa de 1,4m para 1,3m. A
vazão gira em torno de 178 m3/s.
66
Pode-se concluir que para este ponto, o rio que tem mais influência é o rio Brandão.
Com a retirada desse rio obtém-se os melhores resultados.
Figura 39 : Gráfico mostrando o resultado do cenário 4 para o ponto crítico 1.
Figura 40: Gráfico mostrando o resultado do cenário 5 para o ponto crítico 1.
67
Figura41: Gráfico mostrando o resultado do cenário 6 para o ponto crítico 1.
Os cenários 4, 5 e 6 apresentam os resultados de cada rio isoladamente. É possível
perceber na figura 39 que o rio Brandão tem seu pico de cheia em 6,4 horas. Portanto, o
pico de cheia do rio Brandão se dá quase meia hora depois do pico de cheia da
calibração que leva a contribuição de toda a bacia. A vazão é da ordem de 160 m3/s e o
rio ainda extravasa, gerando uma lamina d’água de 0,7 m.
Para o cenário 5 e 6 o rio não chega a sair de sua calha nesse ponto. Os picos de cheias
estão em 5 horas para o rio Cachoeirinha, e 3,75 horas para o córrego Cafuá. A vazão
para o cenário 5 é de 60 m3/s e para o cenário 6 é de 23 m3/s. Conclui-se que a maior
parcela de contribuição de vazão é a do rio Brandão, como era de se esperar, pelo
próprio tamanho da bacia.
68
Figura 42: Gráfico mostrando o resultado do cenário 7 para o ponto crítico 1.
Figura 43: Gráfico mostrando o resultado do cenário 8 para o ponto crítico 1.
Analisando os cenários 7 e 8, é possível perceber que, quando se faz a dragagem
proposta para o rio Cachoeirinha, tem-se uma melhora deste ponto, mas não resolve o
problema de extravasamento do rio. A lâmina d’água sobre as células desse ponto passa
de 1,4 m para 0,7 m e a vazão é da ordem de 197 m3/s. Nota-se que se acelera um pouco
o pico da cheia, passando de 6,0 horas para 5,8 horas, uma diferença de 12 minutos.
Para a dragagem feita no córrego Cafuá, proposta no cenário 8, não muda os resultados
69
em nada para este ponto. As vazões giram em torno de 180 m3/s e a lâmina d’água e o
pico de cheia são os mesmos. Conclui-se que, para o ponto 1, a dragagem do rio
Cachoeirinha, não soluciona o problema de cheias deste ponto, mas ocorre uma melhora
significativa.
Figura 44: Gráfico mostrando o resultado do cenário 9 para o ponto crítico 1.
Figura 45: Gráfico mostrando o resultado do cenário 10 para o ponto crítico 1.
70
Analisando os resultados dos cenários 9 e 10, é possível observar que a barragem
proposta para o rio Brandão resolve o problema de alagamento deste ponto. O pico de
cheia é amortecido e passa para 4,8 horas. Já a proposta para a barragem do córrego
Cafuá não melhora em nada os resultados para o ponto 1. Conclui-se aqui que a
barragem do rio Brandão seria uma medida viável para eliminar os alagamentos dos
pontos mais a jusante da bacia, o que certamente deve-se repetir para toda a bacia
diretamente sob influência do rio Brandão.
Figura 46: Gráfico mostrando o resultado do cenário 11 para o ponto crítico 1.
Analisando todo o conjunto proposto no cenário 11, percebe-se um melhor resultado.
Este ponto não alaga mais e o pico da cheia passa para 4,6 horas.
Resultados Obtidos no Ponto 2:
Os resultados obtidos nos cenários de simulação para o ponto 2 estão representados nas
figuras 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56 e 57.
71
Figura 47: Gráfico mostrando o resultado do cenário 1 para o ponto crítico 2.
Figura 48: Gráfico mostrando o resultado do cenário 2 para o ponto crítico 2.
Figura 49: Gráfico mostrando o resultado do cenário 3 para o ponto crítico 2.
72
Comparando os resultados obtidos para os cenários 1, 2 e 3 com aqueles da figura 28, é
possível notar que, neste ponto o rio também sai de sua calha quando se considera todas
as condições de contorno e mais a chuva caindo sobre toda a bacia. A lâmina d’água
sobre esse ponto chegava a quase 2,0 m e a vazão era de 171 m3/s. Analisando o cenário
1, sem a influência do rio Brandão, observa-se uma melhora para este ponto. O rio não
transborda mais. Nota-se que o pico de cheia passa de 6 horas para 4,2 horas e a vazão
cai para 66 m3/s. Portanto, quando se retira a influência do rio Brandão, tem-se um
resultado satisfatório.
Para o cenário 2, sem a contribuição do rio Cachoeirinha, houve uma pequena melhora.
Para este ponto, o rio continua a transbordar. A lamina d’água baixou para 1,2 m e tem-
se uma vazão de 174 m3/s. O pico de cheia continua sendo de 6,2 horas.
No Cenário 3, sem a contribuição do córrego Cafuá, não se observa muita mudança, o
rio continua extravasando e a lâmina d’água diminui muito pouco. A vazão gira em
torno de 168 m3/s. Pode-se concluir que para este ponto, o rio que tem mais influência é
o rio Brandão. Com a retirada deste rio obtêm-se os melhores resultados.
Figura 50: Gráfico mostrando o resultado do cenário 4 para o ponto crítico 2.
73
Figura 51: Gráfico mostrando o resultado do cenário 5 para o ponto crítico 2.
Figura 52: Gráfico mostrando o resultado do cenário 6 para o ponto crítico 2.
A partir do cenário 4, com a influência somente do rio Brandão, é possível perceber que
este rio possui a maior parcela de contribuição de vazão para o ponto 2. O rio ainda
alaga esta região. Tem-se uma lamina d’água de 1,0 m e a vazão é de 170 m3/s. O pico
de cheia está em 6,3 horas. No cenário 5, o rio Cachoeirinha também contribui com uma
parcela de seu escoamento para este ponto, gerando remanso e com uma vazão de 55
m3/s e o pico de cheia em 4,6 horas. Já o escoamento do córrego Cafuá se dá com uma
vazão de 23 m3/s e o pico de cheia em 3,6 horas.
74
Figura 53: Gráfico mostrando o resultado do cenário 7 para o ponto crítico 2.
Figura 54: Gráfico mostrando o resultado do cenário 8 para o ponto crítico 2.
Analisando os cenários 7 e 8 para o ponto 2, observa-se que quando se faz a dragagem
proposta para o rio Cachoeirinha, se tem uma melhora. A lamina d’água reduz 0,7 m. O
rio ainda continua a sair da sua calha, alagando esta região e o pico de cheia é acelerado
e se dá em 5,65 horas, com uma diferença de 20 minutos. A dragagem do córrego Cafuá
não altera em nada o resultado para este ponto, o pico de cheia é de 6,0 horas. A vazão
para o cenário 7 é de 177 m3/s e para o cenário 8 é de 170 m3/s.
75
Figura 55: Gráfico mostrando o resultado do cenário 9 para o ponto crítico 2.
Figura 56: Gráfico mostrando o resultado do cenário 10 para o ponto crítico 2.
Analisando os cenários 9 e 10, é possível observar que a barragem proposta para o rio
Brandão ameniza o problema de alagamento para o ponto 2. Nota-se que o rio fica em
seu limite, e este ainda transborda com uma intensidade bem menor, pois este ponto
recebe água diretamente do rio Cachoeirinha mais o rio Brandão e o córrego Cafuá. O
tempo do pico de cheia se dá em 4,75 horas. A proposta para a barragem do córrego
Cafuá não melhora em nada os resultados para o ponto 2.
76
Figura 57: Gráfico mostrando o resultado do cenário 11 para o ponto crítico 2.
Analisando todo o conjunto proposto no cenário 11, percebe-se um melhor resultado. É
valido relembrar que, neste ponto, somente o efeito da barragem no rio Brandão ainda
causava alagamento. Agora, com as intervenções sugeridas para este cenário, resolve-se
o problema de alagamento. O pico da cheia passa para 4,6 horas.
Resultados Obtidos no Ponto 3:
Os resultados das simulações de cenários, obtidos para o ponto 3, estão representados
nas figuras 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67 e 68.
Figura 58: Gráfico mostrando o resultado do cenário 1 para o ponto crítico 3.
77
Figura 59: Gráfico mostrando o resultado do cenário 2 para o ponto crítico 3.
Figura 60: Gráfico mostrando o resultado do cenário 3 para o ponto crítico 3.
Comparando os resultados obtidos nesses 3 cenários com a calibração, é possível notar
que não há mais extravasamento no cenário 1. A vazão do rio é de ordem de 60 m3/s e o
pico de cheia está em torno de 6,3 horas.
Para o cenário 2, o rio continua saindo de sua calha. A lamina d’água reduz bastante,
passando de 1,2 m para 0,7 m , a vazão é de 40 m3/s é o pico de cheia é em 6,0 horas.
No Cenário 3 não se observa muita mudança, o rio continua extravasando e se
espalhando por toda a área das células que representam este ponto. A lamina d’água
diminui 0,1 m , a vazão gira em torno de 58m3/s e o pico de cheia está em 5,75 horas.
Pode-se concluir que, para este ponto, o rio que tem mais influência é o rio Brandão,
78
mesmo estando localizado no rio Cachoeirinha. Com a retirada deste rio obtêm-se os
melhores resultados, por desafogar-se a saída do rio Cachoeirinha.
Figura 61: Gráfico mostrando o resultado do cenário 4 para o ponto crítico 3.
Figura 62: Gráfico mostrando o resultado do cenário 5 para o ponto crítico 3.
Figura 63: Gráfico mostrando o resultado do cenário 6 para o ponto crítico 3.
79
Observa-se, para os cenários 4, 5 e 6, as influências dos rios isoladamente para o ponto
3. É possível perceber que o rio Brandão tem seu pico de cheia em 6,3 horas, a vazão
neste ponto de controle gira em torno de 26 m3/s e o rio Cachoeirinha ainda extravasa
com uma lamina d’água de 0,5m, pois este é barrado pelas águas do rio Brandão.
Para os cenários 5 e 6, o rio não chega a sair de sua calha. Os picos de cheias se
encontram 4,5 horas e 3,6 horas, respectivamente. A vazão para o cenário 5 é de 59 m3/s
e para o cenário 6 é de 4 m3/s.
Figura 64: Gráfico mostrando o resultado do cenário 7 para o ponto crítico 3.
Figura 65: Gráfico mostrando o resultado do cenário 8 para o ponto crítico 3.
Observa-se, para a proposta de dragar o rio Cachoeirinha apresentada no cenário 7, que
há uma melhora significativa para este ponto. A lamina d’água passa de 1,2 m para 0,5
80
m. A vazão é da ordem de 57 m3/s, e o pico de cheia é em 5,65 horas. A dragagem do
córrego Cafuá, não altera em nada o resultado para este ponto.
Figura 66: Gráfico mostrando o resultado do cenário 9 para o ponto crítico 3.
Figura 67: Gráfico mostrando o resultado do cenário 10 para o ponto crítico 3.
A barragem proposta para o rio Brandão resolve o problema de alagamento para o ponto
3. A vazão deste ponto é da ordem de 60 m3/s e o pico de cheia passa para 4,6 horas.
Nota-se que a vazão cresce um pouco pela desobstrução do canal do rio Cachoeirinha.
A proposta para a barragem do córrego Cafuá não melhora em nada os resultados para o
ponto 2.
81
Figura 68: Gráfico mostrando o resultado do cenário 11 para o ponto crítico 3.
Analisando todo o conjunto proposto no cenário 11, percebe-se um melhor resultado.
Este ponto não alaga mais e o pico da cheia passa para 4,5 horas.
Resultados Obtidos no Ponto 4:
Os resultados das simulações de cenários obtidos para o ponto 4 estão representados nas
figuras 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78 e 79.
Figura 69: Gráfico mostrando o resultado do cenário 1 para o ponto crítico 4.
82
Figura 70: Gráfico mostrando o resultado do cenário 2 para o ponto crítico 4.
Figura 71: Gráfico mostrando o resultado do cenário 3 para o ponto crítico 4.
Para o ponto 4, observa-se que, no cenário 1, com a retirada da influência do rio
Brandão, elimina-se o problema de alagamento. A vazão chega a 40 m3/s e o pico de
cheia se encontra em 4,1 horas.
Para o cenário 2 nota-se uma melhora significativa. O rio continua a extravasar, mas a
lamina d’água cai de 0,9 m para 0,4 m, a vazão passa a ser de 172 m3/s e o pico de cheia
83
está em 6,1 horas. No cenário 3, o problema continua a existir e não há mudanças
significativas. A lamina d‘água cai 0,2 m e a vazão é da ordem de 176 m3/s.
Figura 72: Gráfico mostrando o resultado do cenário 4 para o ponto crítico 4.
Figura 73: Gráfico mostrando o resultado do cenário 5 para o ponto crítico 4.
84
Figura 74: Gráfico mostrando o resultado do cenário 6 para o ponto crítico 4.
Em relação aos cenários 4, 5 e 6, para o ponto 4, somente no cenário 4 o rio sai de sua
calha, com uma lamina d’água de 0,3m, pois este ponto se situa no próprio rio Brandão.
Nos cenários 5 e 6 não há alagamentos. As vazões são, respectivamente, 171 m3/s,
7m3/s e 23 m3/s. Os picos de cheias são de 6,25 horas para o rio Brandão, 4,6 horas
considerando o cenário 5, e 3,6 horas para o cenário 6.
Figura 75: Gráfico mostrando o resultado do cenário 7 para o ponto crítico 4.
85
Figura 76: Gráfico mostrando o resultado do cenário 8 para o ponto crítico 4.
Analisando os cenário 7 e 8, para o ponto 4, observa-se que quando se faz a dragagem
proposta para o rio Cachoeirinha, se tem uma melhora significativa. A lamina d’água
reduz 0,7 m. O rio ainda continua a sair da sua calha, mas não com a mesma
intensidade. O pico de cheia se dá em 6,0 horas e a vazão passa para 177 m3/s. A
dragagem do córrego Cafuá não altera em nada o resultado para este ponto.
Figura 77: Gráfico mostrando o resultado do cenário 9 para o ponto crítico 4.
86
Figura 78: Gráfico mostrando o resultado do cenário 10 para o ponto crítico 4.
A barragem proposta para o rio Brandão resolve o problema de alagamento para o ponto
4. A vazão deste ponto é da ordem de 69 m3/s e o pico de cheia passa para 4,75 horas. A
proposta para a barragem do córrego Cafuá não atua sobre o problema de inundação do
ponto 4.
Figura 79: Gráfico mostrando o resultado do cenário 11 para o ponto crítico 4.
Analisando todo o conjunto proposto no cenário 11, percebe-se um resultado
satisfatório. Este ponto não alaga mais e o pico da cheia passa para 4,6 horas
87
Resultados Obtidos no Ponto 5:
Os resultados das simulações de cenários obtidos para o ponto 5 estão representados nas
figuras 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89 e 90.
Figura 80: Gráfico mostrando o resultado do cenário 1 para o ponto crítico 5.
Figura 81: Gráfico mostrando o resultado do cenário 2 para o ponto crítico 5.
88
Figura 82: Gráfico mostrando o resultado do cenário 3 para o ponto crítico 5.
Comparando os resultados obtidos nestes 3 cenários com a calibração, é possível notar
que não há mais extravasamento no cenário 1. A vazão do rio é de ordem de 30 m3/s e o
pico de cheia para este ponto está em 3,0 horas.
Para o cenário 2 e 3, o rio continua saindo de sua calha, não ocorrendo nenhuma
mudança. As vazões para os cenários 2 e 3 são, respectivamente, 178 m3/s e 175 m3/s e
os picos de cheia estão em 6,1 horas e 6,25 horas.
Figura 83: Gráfico mostrando o resultado do cenário 4 para o ponto crítico 5.
89
Figura 84: Gráfico mostrando o resultado do cenário 5 para o ponto crítico 5.
Figura 85: Gráfico mostrando o resultado do cenário 6 para o ponto crítico 5.
Analisando os cenários 4, 5 e 6 para este ponto, observa-se que o rio responsável pelo
alagamento desta região é o rio Brandão. No cenário 4 tem-se uma vazão de 175 m3/s,
uma lamina d’água de quase 1,0 m e o pico de cheia está em 6,0 horas. O rio
Cachoeirinha não tem influência sobre este ponto. A vazão é continua da ordem de 7
m3/s. Já o córrego Cafuá contribui com uma pequena parcela de vazão para este ponto,
com uma vazão de 24 m3/s e o pico de cheia está em 3,25 horas.
90
Figura 86: Gráfico mostrando o resultado do cenário 7 para o ponto crítico 5.
Figura 87: Gráfico mostrando o resultado do cenário 8 para o ponto crítico 5.
Para este ponto, a proposta apresentada no cenário 7 não resolve em nada os problemas
de inundação. Os resultados continuam os mesmo da calibração. Analisando o cenário,
observa-se que quando se faz a dragagem proposta para o córrego Cafuá não se tem
uma melhora para este ponto. O rio ainda continua a sair da sua calha. Observa-se, no
entanto, que o pico de cheia q antes era de 6,0 horas, passa a ser de 5,9 horas, uma
diferença de 6 minutos. A vazão é da ordem de 170 m3/s
91
Figura 88: Gráfico mostrando o resultado do cenário 9 para o ponto crítico 5.
Figura 89: Gráfico mostrando o resultado do cenário 10 para o ponto crítico 5.
A barragem proposta para o rio Brandão resolve o problema de alagamento para o ponto
5, amortecendo o pico de cheia e passando este para 5,5 horas. A vazão deste ponto é da
ordem de 66 m3/s. A proposta para a barragem do córrego Cafuá não resolve o problema
de inundação do ponto 5.
92
Figura 90: Gráfico mostrando o resultado do cenário 11 para o ponto crítico 5.
Analisando todo o conjunto proposto no cenário 11, percebe-se um resultado
satisfatório. Este ponto não alaga mais e o pico da cheia passa para 4,0 horas.
Resultados Obtidos no Ponto 6:
Os resultados das simulações de cenários obtidos para o ponto 6 estão representados nas
figuras 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100 e 101. É valido relembrar que este ponto é
o ultimo ponto crítico modelado neste trabalho, situado mais a montante da área
urbanizada, já no córrego Cafuá.
Figura 91: Gráfico mostrando o resultado do cenário 1 para o ponto crítico 6.
93
Figura 92: Gráfico mostrando o resultado do cenário 2 para o ponto crítico 6.
Figura 93: Gráfico mostrando o resultado do cenário 3 para o ponto crítico 6.
Para este ponto, pode-se observar que o córrego Cafuá é o responsável pelo alagamento
desta região. O problema do ponto 6 é que neste local o rio passa por debaixo de uma
rua através de uma galeria, estrangulando o percurso do rio. Quando chove sobre a
bacia, a vazão é de 15 m3/s e o pico de cheia é em 3,0 horas. Sem a chuva, para este
ponto, a vazão é da ordem de 5m3/s.
94
Figura 94: Gráfico mostrando o resultado do cenário 4 para o ponto crítico 6.
Figura 95: Gráfico mostrando o resultado do cenário 5 para o ponto crítico 6.
Figura 96: Gráfico mostrando o resultado do cenário 6 para o ponto crítico 6.
Esses três cenários acima reafirmam e comprovam que para este ponto, o único rio
responsável pelo o alagamento é o córrego Cafuá.
95
Figura 97: Gráfico mostrando o resultado do cenário 7 para o ponto crítico 6.
Figura 98: Gráfico mostrando o resultado do cenário 8 para o ponto crítico 6.
As propostas apresentadas no cenário 7, de dragagem do rio Cachoeirinha, não resolve
em nada os problemas de inundação do ponto 6, por este estar localizado a montante da
bacia e não sofrer influência alguma deste rio. A solução para este ponto se encontra no
cenário 8, onde se propõem a dragagem e o alargamento da galeria e do córrego Cafuá,
onde este ponto está situado. A vazão que antes era da ordem de 15 m3/s, com a
dragagem e alargamento do canal passa para 18 m3/s e o pico de cheia está em 3,1
horas.
96
Figura 99: Gráfico mostrando o resultado do cenário 9 para o ponto crítico 6.
Figura 100: Gráfico mostrando o resultado do cenário 10 para o ponto crítico 6.
Para este ponto, a barragem proposta para o rio Brandão não resolve o problema de
alagamento. Já a proposta para a barragem no córrego Cafuá resolve o problema de
inundação do ponto 6. O rio não extravasa mais. A vazão é de 10 m3/s e o pico de cheia
é de 2,8 horas.
97
Figura 101: Gráfico mostrando o resultado do cenário 11 para o ponto crítico 6.
Analisando todo o conjunto proposto no cenário 11, percebe-se um melhor resultado.
Este ponto não alaga mais e o pico da cheia passa para 2,5 horas.
As tabelas 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 e 18 apresentam os resultados obtidos para
cada ponto crítico dos valores das laminas de escoamento e hora do pico da cheia.
Tabela 8: Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o Cenário 1.
PONTOS LÂMINA D’ÁGUA (m) TEMPO DO PICO DE CHEIA 1 3,7 4,3 horas 2 6,1 4,2 horas 3 6,1 4,5 horas 4 5,7 4,1 horas 5 5,7 3,0 horas 6 0,25 3,0 horas
Tabela 9: Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o Cenário 2. PONTOS LÂMINA D’ÁGUA (m) TEMPO DO PICO DE CHEIA
1 5,8 6,3 horas 2 6,1 6,2 horas 3 6,1 6,0 horas 4 5,8 6,1 horas 5 5,8 6,1 horas 6 3,2 3,0 horas
98
Tabela 10: Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o Cenário 3.
PONTOS LÂMINA D’ÁGUA (m) TEMPO DO PICO DE CHEIA 1 6,2 6,0 horas 2 6,5 6,0 horas 3 6,6 5,75 horas 4 6,2 6,0 horas 5 5,8 6,25 horas 6 0,25 0,8 horas
Tabela 11: Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o Cenário 4.
PONTOS LÂMINA D’ÁGUA (m) TEMPO DO PICO DE CHEIA 1 5,7 6,4 horas 2 6,1 6,3 horas 3 6,1 6,3 horas 4 5,7 6,25 horas 5 5,7 6,0 horas 6 0,25 0,8 horas
Tabela 12: Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o Cenário 5.
PONTOS LÂMINA D’ÁGUA (m) TEMPO DO PICO DE CHEIA1 3,1 5,0 horas 2 3,2 4,6 horas 3 3,6 4,5 horas 4 2,6 4,6 horas 5 0,30 0,8 horas 6 0,25 0,8 horas
Tabela 13: Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o Cenário 6.
PONTOS LÂMINA D’ÁGUA (m) TEMPO DO PICO DE CHEIA 1 3,2 3,75 horas 2 3,2 3,6 horas 3 3,2 3,6 horas 4 2,7 3,6 horas 5 1,4 3,25 horas 6 3,3 3,0 horas
Tabela 14: Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o Cenário 7.
PONTOS LÂMINA D’ÁGUA (m) TEMPO DO PICO DE CHEIA 1 5,7 5,8 horas 2 6,0 5,65 horas 3 6,0 5,65 horas 4 5,7 6,0 horas 5 5,8 6,0 horas 6 3,3 3,0 horas
99
Tabela 15: Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o Cenário 8.
PONTOS LÂMINA D’ÁGUA (m) TEMPO DO PICO DE CHEIA 1 6,3 6,0 horas 2 6,7 6,0 horas 3 6,7 6,0 horas 4 6,3 6,0 horas 5 5,9 6,1 horas 6 1,5 2,5 horas
Tabela 16: Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o Cenário 9.
PONTOS LÂMINA D’ÁGUA (m) TEMPO DO PICO DE CHEIA 1 4,7 4,8 horas 2 5,0 4,75 horas 3 5,2 4,6 horas 4 4,2 4,75 horas 5 3,0 5,5 horas 6 3,2 3,0 horas
Tabela 17: Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o Cenário 10.
PONTOS LÂMINA D’ÁGUA (m) TEMPO DO PICO DE CHEIA 1 6,3 6,0 horas 2 6,7 6,0 horas 3 6,7 6,0 horas 4 6,0 6,0 horas 5 6,0 6,1 horas 6 3,0 2,8 horas
Tabela 18: Resultados das lâminas d’água e tempo do pico de cheia para o Cenário 11.
PONTOS LÂMINA D’ÁGUA (m) TEMPO DO PICO DE CHEIA1 3,5 4,6 horas 2 3,7 4,6 horas 3 3,9 4,5 horas 4 3,3 4,6 horas 5 2,4 4,0 horas 6 1,0 2,5 horas
Observando o conjunto de resultados mostrados até aqui, percebe-se que o alargamento
do canal já canalizado acelera os picos de cheia do rio Cachoeirinha e do córrego Cafuá,
trazendo benefícios tanto para a bacia toda quanto para o ponto 6. As simulações
efetuadas mostram que a barragem de detenção apresentada como uma maneira de
intervenção sugerida para o rio Brandão melhora as cheias de tempo de recorrência de
20 anos para quase todos os pontos. Essa barragem retarda e atenua o pico de cheia do
Brandão que é o maior responsável pelo alagamento da bacia, já que este possui a maior
área da bacia em questão. Portanto, a dragagem dos rios Cachoeirinha e a correção das
100
restrições no córrego Cafuá, somado a barragem do rio Brandão, não deixam os picos de
cheias de cada rio se sobreporem. Com a detenção das águas do rio Brandão, as águas
do rio Cachoeirinha e do córrego Cafuá escoariam com maior facilidade, sem problema
algum, para depois escoar as águas do rio Brandão. Isso resolveria o problema de
alagamento tanto para os pontos a jusante da bacia quanto para os pontos mais a
montante da bacia. As piores manchas de inundação abrangem o trecho mais a jusante
da bacia e a lâmina d’água máxima sobre as vias laterais é da ordem de 1,8 m e esse
problema poderia, então, ser eliminado.
101
VII. COCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES
VII.1. Conclusões
O controle de cheias e a gestão da drenagem urbana está longe de ser uma questão de
simples solução. Os conceitos e resultados aqui apresentados tem o objetivo de
contribuir para o amadurecimento das discussões em torno deste assunto.
Em relação à modelação, é importante que as informações obtidas por cadastros, mapas
e levantamentos topográficos sejam condizentes com a realidade física apresentada.
Quanto mais fiel for a representação topográfica e hidráulica da área modelada,
melhores serão os resultados apresentados pelo modelo, aproximando-se mais do
comportamento esperado da bacia para um evento de precipitação.
A instrumentação da bacia, com um levantamento contínuo de dados pluviométricos e
fluviométricos detalhados, não só nas calhas da rede de drenagem, mas também da
planície urbana, é imprescindível para a correta determinação dos parâmetros que
atestam a confiabilidade do modelo matemático.
No que concerne do estado aqui realizado, a disponibilidade de dados hidrológicos e
topográficos foi um fator restritivo. Apesar disso, dada a complexidade do sistema de
drenagem, que tem o rio Brandão e seus afluentes com grandes áreas alagáveis e
influenciados também pelo rio Paraíba do Sul, a opção pelo uso de um modelo
sistêmico, mesmo com incertezas, permitiu realizar avaliação do comportamento
integrado da bacia e analisar a possibilidade de intervenções que potencializam seus
resultados.
Os rios Brandão e Cachoeirinha na área urbana de Volta Redonda encontram-se
atualmente canalizados, mas com uma capacidade de escoamento insuficiente, o que é
demonstrado pela freqüente ocorrência de inundações da área nos últimos anos. Entre os
principais fatores que concorrem para a reduzida capacidade de escoamento, destacam-
se: as dimensões insuficientes das seções, as obstruções causadas pelas tubulações de
água, a ocorrência de assoreamentos e, sobretudo, o crescimento da urbanização que
passou a demandar espaço para cada vez mais valores ampliados de vazão.
102
A análise dos resultados das simulações permitiu identificar os principais pontos críticos
de obstrução ao escoamento dos cursos d’água, nas condições atuais da calha:
- a ponte na seção na rua 41 - a pequena largura do vão útil da ponte contrai o
escoamento provocando alagamentos de escoamento na rua 26
- a ponte da rua 41 com a rua 41C, que contrai o escoamento, somado ao efeito da
confluência do rio Cachoeirinha com o rio Brandão neste ponto, é responsável pelo
alagamento das ruas 18 A e 18B, 33 e da Praça Brasil e rua 60.
- a passagem do córrego Cafuá por debaixo da Av. dos Metalúrgicos, por uma
tubulação de mais ou menos 3,0 metros de diâmetro, causa uma restrição com fortes
alagamentos locais.
Esta dissertação propôs-se, portanto, a efetuar um diagnóstico das enchentes na cidade
de Volta Redonda, utilizando uma ferramenta de modelação matemática, o MODCEL,
com apoio para o desenvolvimento de uma análise sistêmica e integrado do
comportamento da bacia do rio Brandão, observando também seus dois principais
afluentes, o Cachoeirinha e o Cafuá, todos funcionando conjuntamente.
Analisando os resultados obtidos com os cenários de simulação, percebe-se que o rio
Brandão, com uma maior área de drenagem, é o principal gerador de cheias na cidade.
Dado a sua extensão e a grande quantidade de áreas ainda verdes e em condições
naturais no trecho superior da bacia, o efeito do rio Brandão também é aquele que se faz
sentir mais tardiamente. A contribuição do rio Brandão, em termos de hidrograma de
cheias, é a última a chegar nas seções mais próximas à foz no rio Paraíba do Sul. Os rios
Cachoeirinha e Cafuá contribuem mais rapidamente. O rio Cachoeirinha, em particular,
despeja suas águas já em uma região crítica de alagamentos e é o que tem suas
contribuições chegando de forma mais rápida às seções de jusante, já próximas da foz
no rio Paraíba do Sul.
Considerando isoladamente cada bacia, estima-se que o pico de cheia produzido pelo rio
Cachoeirinha chega cerca de 1 hora antes do pico do rio Brandão, na seção de controle 1
(mais próximo da foz, pouco antes da Campainha Siderúrgica Nacional). Já o pico do
Cafuá, chega cerca de 2 horas antes do Brandão.
103
Nesse contexto, percebe-se que é necessário tentar reduzir o pico de cheia proveniente
do rio Brandão que, sozinho, já alagaria a cidade. A melhor forma de conseguir isto,
provavelmente, é com a introdução de uma barragem de amortecimento. Uma
possibilidade interessante para o rio Cachoeirinha, a partir do diagnóstico, seria o
aumento de sua condutância, com a aplicação de técnicas de canalização e dragagem, de
modo a desacoplar o pico da cheia produzida por este rio, evitando ao máximo a sua
sobreposição com a cheia do rio Brandão, que chega depois. O córrego Cafuá, por sua
vez, apresenta uma contribuição pequena, em termos absolutos, para as cheias da bacia,
mas tem áreas de alagamentos importantes, por efeitos de contração local da calha.
Nesse caso, uma intervenção também local mostra-se suficiente para resolver o
problema, sem qualquer prejuízo significativo para o sistema como um todo.
VII.2. RECOMENDAÇÕES
Faz-se aqui algumas propostas de ordem prática, com resultados das simulações de
cenários futuros propostos, para melhoria do sistema de drenagem do Rio Brandão na
Cidade de Volta Redonda :
1. A remoção de todas as tubulações de água e esgoto que cruzam as seções
de escoamento, das obstruções e assoreamentos da calha fluvial;
2. A execução de projetos de ampliação da capacidade de escoamento do rio
Cachoeirinha e Cafuá com base em levantamentos topográficos e
geotécnicos detalhados visando dotar a calha fluvial de uma capacidade de
escoamento de no mínimo 20 anos. Os trechos objeto de projeto devem
compreender, no mínimo, os seguintes segmentos: Rio Brandão - entre o
rio Paraíba do Sul e a foz do rio Cachoeirinha; córrego Cafuá
3. Deve ser estudada a possibilidade de execução de intervenções localizadas
na calha fluvial, a saber:
No Rio Brandão: limpeza de pontes e retiradas de eventuais obstruções
locais. Alargamento e/ou aprofundamento da calha fluvial no do rio
Cachoeirinha e do córrego Cafuá.
104
4. Detalhamento dos estudos de engenharia da barragem de amortecimento de
cheias no Rio Brandão, com base em levantamentos geológicos,
topográficos e geotécnicos do sítio, partindo do estudo anterior feito pela
COPPE, que definiu as dimensões necessárias do amortecimento adequado
(LHC / COPPE, 2000);
5. Desenvolvimento de projetos para preservação da vegetação natural e para
reflorestamento das áreas degradadas;
6. Desenvolvimento de projetos para recuperação das matas ciliares;
7. Desenvolvimento de programas para prevenção e controle da erosão de
áreas degradadas;
8. Desenvolvimento de programas visando disciplinar o uso do solo em áreas
ainda não ocupadas ou em fase de ocupação, situadas em encostas e calhas
dos cursos d’água;
9. Desenvolvimento de programas de educação ambiental que abranjam a
população residente na bacia e não apenas a população ribeirinha, visando a
difundir a importância dos sistemas de drenagem, da coleta e disposição do
lixo urbano, e da participação da sociedade na prevenção e controle das
inundações. Este programa deve ser implementado concomitantemente as
intervenções no sistema de drenagem.
Sob o ponto de vista técnico científico, seria interessante, para completar os estudos em
modelo matemático realizados na bacia do rio Brandão, procurar destacar a
representação da rede de micro-drenagem e implantar estudos de obstrução da rede de
drenagem por resíduos sólidos.
É importante reforçar a tendência de serem apresentadas propostas distintas da
concepção tradicional, exclusiva, que prega o aumento da seção transversal das galerias
de drenagem. Essa concepção de combate às cheias urbanas gera, usualmente, obras de
alto custo, impactantes à população, e que não resolvem os problemas de enchentes,
mas os transportam para um ponto mais a jusante da bacia. Tais obras também possuem
seu grau de eficiência reduzido devido a incorporação de resíduos sólidos que não são
levados em conta no seu projeto. Por esse motivo, diferentes concepções de projeto para
105
a mitigação de enchentes vêm sendo discutidas, tais como a introdução de reservatórios
de amortecimento em encostas, a utilização de parques e praças para armazenamento
temporário de cheias, a utilização de pequenos reservatórios em lotes, controlando os
escoamentos superficiais na origem, a introdução de estruturas especiais de calha para
retardo do escoamento, a utilização de pavimentos permeáveis, entre outras
intervenções, que buscam adequar os novos escoamentos gerados pela bacia urbanizada
para o sistema de drenagem existente. Assim, com estas novas abordagens, pretende-se
restaurar, de forma aproximada, as condições de escoamento da bacia antes da
urbanização e aumentar o leque de opção possível de compor a melhor solução de
drenagem, combinando ou não com a solução tradicional de canalização, que ainda
pode ser útil, conforme visto nesta classificação, desde que utilizado em um contexto
sistêmico.
É interessante utilizar o modelo como uma ferramenta para se estudar o potencial de
distintas concepções de projetos, verificando as suas aplicabilidades de forma isolada ou
combinada com outras, de maneira a possibilitar a otimização do conjunto de
intervenções para controle de cheias, selecionando quais são complementares ou
concorrentes em uma determinada área de aplicação. Dessa forma, a modelação
matemática aparece como importante apoio à gestão.
106
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