Modelo SWMM

Originalmente desenvolvido pela Metcalf & Eddy Inc., Universidade da Flórida, e a Water Resources Engineers, encomendado pela USEPA e, posteriormente, aperfeiçoado pela Universidade da Flórida, o modelo SWMM (Storm Water

Management Model) é o mais detalhado e abrangente modelo de simulação para eventos de escoamento superficial em áreas urbanas, com a propagação do escoamento através de tubulações e estruturas de armazenamento/tratamento e com considerável resolução espacial e temporal, podendo ser utilizado, também, para períodos longos de simulação (PORTO, 1995).

O modelo SWMM é um modelo matemático que tem experimentado até a atualidade, diversas melhoras. Segundo Collodel (2009), trata-se de um modelo hidrológico dinâmico que, a partir de dados de entrada, simula hidrogramas resultantes, determina a quantidade do escoamento gerado em cada sub-bacia, além da vazão e da profundidade de fluxo, a qualidade da água em cada tubulação ou canal, durante o período da simulação, compreendida por vários módulos de avaliação. Assim, o SWMM possui distintas aplicações: sistemas de drenagem para controle de inundações, percepção dos problemas de controle de inundação e qualidade de água, fontes de geração dos poluentes para estudos de redução e alocação, entre outras. Além de modelar a geração e o transporte do fluxo de escoamento, o SWMM também estima a produção de poluentes associada a esse escoamento.

Segundo Porto (1995), o SWMM é um modelo já amplamente testado e que requer uma quantidade de dados de entrada bastante significativa, com descrição detalhada da bacia e estruturas do sistema, caracterização do corpo receptor, dados e hidrogramas, combinados com dados observados de qualidade.

De acordo com Garcia (2005), o SWMM foi o primeiro modelo computacional para análise quali-quantitativa associada ao escoamento gerado em áreas urbanas. O SWMM é o aplicativo mais utilizado para simulação da drenagem em áreas urbanas, principalmente por ser de domínio público e ter seu código de programação aberto, permitindo modificações ao longo dos últimos 30 anos. O aplicativo permite análise dos problemas relacionados à drenagem e à investigação de alternativas de controle do escoamento, fornecendo subsídios para estimativas de custo para estruturas de

armazenamento e tratamento. As soluções adotadas podem ser avaliadas através de simulações que fornecem como resultados hidrogramas, polutogramas e cargas de poluentes.

Segundo Rossman (2007), o SWMM é um modelo de simulação baseado em fenômenos físicos, que utiliza uma solução discreta no tempo do fenômeno. Em sua formulação utiliza os princípios de conservação da massa, da energia e da quantidade de movimento.

O modelo possui nove blocos ou módulos: quatro computacionais e cinco de serviço, todos relacionados com outro bloco, o executivo. A Figura 3-1 apresenta a estrutura e a conexão desses blocos:

Figura 3-1 Relação entre os módulos estruturais do SWMM (GARCIA, 2005) Os blocos de serviços são os responsáveis pela entrada e tratamento dos dados (entrada de dados de precipitação, temperatura, formulação de gráficos, aplicação de estatística, etc.). Nos módulos computacionais se encontram os próprios modelos hidrológicos para a transformação da chuva em vazão e os modelos de propagação hidrodinâmica do escoamento na rede.

Dentro dos blocos computacionais, o bloco “runoff” simula o escoamento e sua propagação na superfície do terreno ou através de canais. Ou seja, programa o processo de transformação chuva-vazão, utilizando dados de precipitação (chuva ou neve),

Blocos de serviço Bloco Statistics Bloco Graph Bloco Combine Bloco Rain Bloco Temperature Bloco Executive Bloco Runoff Bloco Transport Bloco Extrain Bloco Storege/Treatment Blocos computacionais (Simulação)

simulando degelo, infiltração, retenção (áreas impermeáveis) e escoamento (em superfície ou canais). O escoamento superficial pode ser obtido por meio de diferentes processos hidrológicos, sendo o mais comumente utilizado, o reservatório não-linear para as sub-bacias, representado por uma combinação das equações de Manning e da continuidade (ROSSMAN, 2007).

O SWMM apresenta, segundo Rossman (2007), três alternativas para simular o processo de infiltração da água nas superfícies permeáveis: a equação de Horton, o método de Green-Ampt e o método do Soil Conservation Service (SCS) ou número de curva (CN). A equação de Horton, explica Rossman (2007), baseia-se em observações empíricas e propõe que a infiltração decresça exponencialmente desde um valor inicial máximo até certo valor mínimo, durante o evento de chuva. O método de Green-Ampt, por sua parte, assume a existência de uma frente úmida brusca (Sharp wetting front) no solo que separa o solo com um determinado conteúdo inicial de umidade do solo completamente saturado da parte superior. Finalmente, o método do SCS assume que a capacidade total de infiltração do solo pode-se encontrar numa tabela de números de curva tabulados, assim, durante um evento de chuva, essa capacidade representa-se como uma função de chuva acumulada e da capacidade de infiltração restante.

O bloco “transport” avalia o transporte da água dentro do sistema de drenagem, através dos condutos representados pelo SWMM, aplicando as equações de conservação da massa e da quantidade de movimento para escoamento gradualmente variado como também para escoamento não permanente variado (ROSSMAN, 2007).

De acordo ainda com Rossman (2007), o SWMM dispõe de 3 modelos hidráulicos de transporte: o modelo de escoamento uniforme, o modelo da onda cinemática e o modelo da onda dinâmica. O modelo de escoamento uniforme (Steady

State Routing) representa a forma mais simples de representar o comportamento da água no interior dos condutos, assumindo que, a cada um dos incrementos de tempo de cálculo considerados, o escoamento é uniforme. O modelo da onda cinemática (Kinematic Wave) resolve a equação de continuidade em conjunto com uma forma simplificada da equação da quantidade de movimento em cada um dos condutos. Entretanto, salienta Rossman (2007), o modelo da onda dinâmica (Dynamic Wave

Routing) resolve as equações completas unidimensionais de Saint Venant e, portanto, teoricamente gera os resultados mais precisos. As equações de Saint Venant supõem a aplicação da equação da continuidade e da quantidade de movimento nos condutos e a continuidade dos volumes nos nós.

O bloco “extran” constitui um módulo alternativo mais complexo que possibilita a propagação do escoamento em condutos sob pressão (GARCIA, 2005). Esse módulo utiliza os princípios de conservação de massa e as equações de energia e momento para simular a propagação do escoamento.

Por fim o bloco “storage/treatment” simula a reservação e o tratamento da água, e é responsável pelo monitoramento da qualidade. O modelo de qualidade da água no interior dos condutos assume que eles se comportam como um tanque de mistura completa (Continuosly Stirred Tank Reactor, CSTR). A concentração de um determinado poluente no extremo final de um conduto em um instante de tempo obtém- se mediante a integração da equação da conservação da massa, utilizando valores médios para as magnitudes que variam ao longo do tempo, tais como a vazão e o volume de água no conduto. A modelagem da qualidade da água dentro dos nós, com unidades de armazenamento, utilizam as mesmas aproximações do que as consideradas para os cálculos em condutos. Porém, para outros tipos de nós, que não têm volume, a qualidade da água que sai do nó é simplesmente a mescla de concentrações de água que ingresse no mesmo nó (ROSSMAN, 2007).

Existem na atualidade, diversos trabalhos efetuados com o suporte e aplicação do modelo SWMM. A seguir, mencionam-se alguns deles.

Park et al. (2008) avaliaram a influência do nível de segmentação das bacias e da resolução espacial da rede de drenagem nas respostas produzidas pelo SWMM em áreas urbanas.

Temprano et al. (2006) aplicaram o SWMM para predizer o grau de poluição em uma bacia localizada em Santander, Espanha, avaliando sólidos suspensos (SS), demanda química de oxigênio (DQO) e nitrogênio total Kjeldahl (NTK), variáveis que foram utilizados para a calibração e validação do modelo. Esses autores efetuaram também a calibração de 14 variáveis hidráulicas através do método da tentativa e erro.

Garcia & Paiva (2006) realizaram um estudo comparando as respostas do SWMM para a calibração de eventos com faixas de intensidades de precipitação diferentes, buscando o melhor grupo de parâmetros que representassem os fenômenos ocorridos na bacia hidrográfica do Arroio Cancela, localizada em Santa Maria, RS.

Collodel (2009) avaliou os diferentes níveis de detalhamento na representação da bacia do Gregório, localizada em São Carlos, SP, utilizando o SWMM. Realizou uma calibração do modelo, utilizando como ferramenta os algoritmos genéticos.