Representação das características da Bacia

A drenagem avaliada neste trabalho é representada no modelo hidrológico SWMM através de sub-bacias, condutos e nós. Assim, a representação das características da bacia implica na definição dos nós da rede de drenagem, entendidos como junções pelo SWMM e a identificação dos condutos, os quais são os elementos responsáveis pela condução do escoamento superficial. Os condutos podem apresentar diversas seções aceitas pelo modelo ou uma seção representativa elaborada pelo usuário.

Os nós da rede de drenagem foram criados no início e no fim dos elementos de condução do escoamento superficial, possibilitando a ligação entre os mesmos e a sua mudança de direção. Tais ligações ocorrem principalmente nos limites da bacia como também nos cruzamentos entre afluentes ou entre afluente e o rio principal. Adicionalmente foram criados nós intermediários em diferentes pontos dos condutos, incluindo os pontos de controle Fórum, Casa Branca e Cristo considerados no presente trabalho.

Na Figura 4-7, apresenta-se a representação da modelagem matemática da bacia urbana em estudo efetuado no SWMM, contendo as sub-bacias, condutos e nós considerados no modelo.

Figura 4-7 Representação da modelagem matemática no SWMM da bacia em estudo, onde cada número representa a discretização da sub-bacia

a. Sub-bacias

As bacias são unidades hidrológicas de terreno cuja topografia e elementos do sistema de drenagem conduzem o escoamento diretamente até um ponto de descarga (ROSSMAN, 2007). O usuário do SWMM é o responsável por dividir a área de estudo em um número conveniente de sub-bacias (ver item 4.6.2.1) e identificar o ponto de saída (outlet) de cada uma delas. Os pontos de saída (outlet) de cada uma das bacias podem ser bem nós do sistema de drenagem como também outras sub-bacias. Neste trabalho consideraram-se como “outlet” os pontos de exutório de cada sub-bacia.

As sub-bacias são caracterizadas pelos parâmetros apresentados na Tabela 4-2. Os métodos utilizados e os valores considerados para a determinação de cada um deles são descritos a seguir.

Tabela 4-2 Parâmetros das sub-bacias

Parâmetro Sigla Unidade

Área A ha

Largura W m

Declividade S %

Áreas impermeáveis AI %

Coeficiente de rugosidade de Manning – superfícies

impermeáveis NI -

Coeficiente de rugosidade de Manning – superfícies permeáveis NP - Capacidade de armazenamento em depressões – superfícies

impermeáveis DI mm

Capacidade de armazenamento em depressões – superfícies

permeáveis DP mm

Áreas impermeáveis com armazenamento em depressão zero AIZERO %

Os valores numéricos das áreas das sub-bacias (A) foram calculados com o suporte do software AUTOCAD e implementados no SWMM em hectares. A largura da sub-bacia (W) e as quantificações das áreas impermeáveis (AI) das sub-bacias foram determinadas seguindo a metodologia de Collodel (2009). As declividades médias (S) foram retiradas do trabalho de Souza (2008).

Os valores dos parâmetros descritos anteriormente (A, W, AI e S) podem ser visualizados no Anexo 2 e Anexo 3. No Anexo 3, detalham-se os parâmetros utilizados para a obtenção da largura de cada sub-bacia (W).

Os coeficientes de rugosidade de Manning para as superfícies permeáveis e impermeáveis (NP e NI), e as respectivas capacidades de armazenamento (DP e DI) foram retirados de Collodel (2009). Este autor calibrou os parâmetros para a bacia do Gregório obtendo os resultados mostrados na Tabela 4-3. Esses valores foram utilizados para toda a área em estudo pelo fato de não se possuir informação desses parâmetros na totalidade da bacia em estudo e se considerar esses valores como resultados confiáveis e satisfatórios para essa bacia.

Tabela 4-3 Resultados obtidos na calibração manual do coeficiente de rugosidade e da capacidade de armazenamento para superfícies permeáveis e impermeáveis,

adaptado de Collodel (2009)

Parâmetro NI NP DI DP

Média 0,020 0,124 1,47 3,13

Para o valor da porcentagem das áreas impermeáveis com armazenamento em depressão zero (AIZERO) adotou-se um valor médio igual a 10%, para a cidade de São Carlos, valor que foi retirado de Collodel (2009).

Em cada sub-bacia foi necessário indicar a porcentagem de área residencial e rural que possui cada uma delas. Os cálculos de essas porcentagens foram resultado de uma sobreposição entre dois planos de informação, um contendo a região ocupada pela área urbana do município de São Carlos e outro contendo as divisões de microbacias empregadas neste trabalho. O plano de informação contendo a área urbana de São Carlos foi retirado do material do Plano Diretor de São Carlos. Foram utilizados os softwares do tipo SIG (Sistema de Informação Geográfica) e SPRING (CÁMARA et al., 1996).

Para quantificar as áreas sobrepostas foi utilizada a função "Tabulação Cruzada" do SPRING. No Anexo 2 detalham-se os valores das porcentagens de áreas residenciais e rurais calculados.

Outro aspecto a se considerar é a escolha do método de infiltração. O SWMM permite a escolha de três modelos diferentes, sendo eles: equação de Horton, fórmula de Green-Ampt e a utilização do método SCS (Soil Conservation Service) com a utilização do CN (número de curva).

Pelo fato de se conhecer os valores de CN para a bacia em estudo, optou-se por utilizar o método SCS. Os valores de CN para cada sub-bacia que conformam a área estudada, e indicadas no Anexo 4, foram retirados de Souza (2008).

b. Condutos

Os condutos são tubulações ou canais naturais através dos quais a água se transporta desde um nó até outro no sistema de drenagem (ROSSMAN, 2007). No caso do presente trabalho, foram considerados só os canais naturais pelo fato de não se contar com informação suficiente para outros elementos de tubulação (galerias pluviais e sarjetas) do sistema estudado. Os parâmetros necessários para sua caracterização no SWMM estão descritos na Tabela 4-4.

Tabela 4-4 Parâmetros dos condutos (canais naturais) Parâmetro Sigla Unidade

Comprimento L m

Rugosidade n -

Seção transversal - - Vazão de base Qb m3/s

O SWMM permite a seleção da seção transversal das distintas variedades de geometrias abertas e fechadas dos condutos. No caso deste estudo, as seções transversais dos canais naturais foram retiradas de Souza (2008). A autora realizou um levantamento das seções transversais dos diferentes canais da bacia em estudo e a partir das seções transversais levantadas (irregulares) foram obtidas seções regulares (retangulares) com as mesmas características hidráulicas das seções reais.

Os valores médios de rugosidade de Manning para cada trecho dos condutos foram retirados também de Souza (2008), a partir de estimações realizadas pela autora, com base nas características do canal real e informações da literatura (CHOW, 1959; NEVES, 1968; TOMAZ, 2002; PORTO, 2003), citados em Souza (2008).

Foi necessário assumir, em alguns condutos, valores da geometria (largura e altura) como também da rugosidade, pelo fato de não se contar com dados levantados em campo para esses condutos. O critério para assumir os valores da geometria e da rugosidade para os condutos sem dados foi considerar os valores dos condutos próximos

a eles com dados de campo conhecidos, neste caso os dados utilizados por Souza (2008). Teve-se em conta, para assumir as dimensões da geometria dos condutos sem dados, a ampliação natural da largura dos canais naturais de montante para jusante.

Os comprimentos dos trechos dos canais foram medidos a partir da planta planialtimétrica da bacia em estudo e com o auxilio do software AUTOCAD.

Os dados de entrada da seção transversal (largura e altura), rugosidade e comprimentos dos canais são detalhados no Anexo 5.

O offset de entrada e saída, que representa as diferenças de cotas entre o fundo do canal natural e o nó de montante e jusante respectivamente, foi considerado zero, valor também utilizado por Collodel (2009) para canais naturais.

A forma de determinação da vazão de base está descrita no item 4.6.2.3.

c. Nós

Os nós são as junções que conectam as diferentes linhas entre si. Fisicamente podem representar a confluência de canais superficiais, naturais, ou elementos de conexão de tubulações (ROSSMAN, 2007). Os nós são os elementos que recebem as contribuições das sub-bacias (outlet), já descritos anteriormente, como também as contribuições externas de vazões.

Os parâmetros principais de entrada dos nós estão descritos na Tabela 4-5.

Tabela 4-5 Parâmetros dos nós Parâmetro Sigla Unidade Coordenadas x, y -

Cota de fundo Z m

Profundidade máxima hmax m

Vazão de base Qb m3/s

As coordenadas e as cotas do fundo de cada nó foram obtidas através da planta planialtimétrica da área de estudo, com o auxilio do SIG. A profundidade ou nível máximo nos nós (medido desde o fundo do terreno) foram determinados a partir das seções transversais dos condutos que conformam os nós. A obtenção das vazões de base é descrita no item 4.6.2.3.