2. REVISÃO DA LITERATURA
2.1. Urbanização das Bacias Hidrográficas
De acordo com ASCE (1985), tradicionalmente, os problemas de drenagem e prevenção a enchentes urbanas são abordados por meio do conceito de máxima eficiência ( conveyance approach ) no escoamento, ou seja, escoar rapidamente para jusante as águas pluviais. Entretanto, há dezessete anos atrás foi introduzido no planejamento dos sistemas de drenagem urbana, o conceito de armazenamento para detenção das águas pluviais ( storage detetion approach ). O conceito está baseado na coleta e detenção temporária de parte, ou da totalidade do escoamento, durante e logo após a ocorrência da chuva, proporcionando o controle do escoamento para jusante. Uma comparação entre os dois conceitos está indicado na Figura 2.1.
Figura 2.1 Conceito máxima eficiência x detenção no escoamento das águas pluviais Fonte: ASCE (1985)
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De acordo com UNESCO (1987) o efeito combinado da industrialização, urbanização e crescimento populacional, alteram o comportamento do ciclo hidrológico, causando impactos ambientais.
Drenagem Urbana, um sistema hidrológico urbano de grande complexidade, parte integrante deste ciclo, deverá ter seu planejamento inter-relacionado com o planejamento dos sistemas de abastecimento e tratamento de água, da coleta e tratamento dos esgotos sanitários, e ainda, com outros que são partes integrantes do planejamento urbano global.
Efeitos da urbanização sobre o clima incluem mudanças no balanço energético, poluição atmosférica, e na circulação atmosférica, causadas pelas construções e outras transformações impostas pelo uso e ocupação dos solos. As ilhas de calor causadas pelo aumento da temperatura do ar, sobre áreas urbanas, comparadas com as localidades circunvizinhas, é uma das principais modificações no clima urbano.
Avaliações feitas na U.R.S.S., E.U.A. e, em outros países, mostraram que a precipitação total anual, em cidades altamente urbanizadas, em geral, são 5 a 10% maiores do que nas circunvizinhanças destas localidades, e por vezes, 30% maiores para determinadas chuvas.
Uma parte relevante do escoamento urbano são as enchentes e seus níveis máximos, formas e volumes dos hidrogramas que definem os projetos das redes de esgotamento pluvial urbano. A variedade das estruturas impermeáveis, e das ruas e avenidas, com a construção dos sistemas de esgotamento pluvial explicam a rapidez do escoamento para o interior dos condutos.
Coeficientes de escoamento superficial tendem a aumentar rapidamente, comparando-os com comparando-os das áreas não urbanizadas. De acordo com dadcomparando-os de cientistas norte americancomparando-os, a urbanização total de uma bacia hidrográfica poderá aumentar de 5 até 10 vezes a sua vazão média de enchente. Escoamento superficial em áreas impermeáveis podem ser centenas de
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vezes maior do que o escoamento nas áreas naturais. Coeficientes de escoamento para solos permeáveis e coberturas naturais podem variar de 0,01 até 0,90, dependendo das intensidades da chuva e das condições de umidade antecedentes dos solos da bacia hidrográfica.
GIUSTI (1989) alerta que os maiores agravantes na ocupação do solo no Município de Curitiba são na maioria irreversíveis. Neste aspecto, os terrenos da região central, a partir do terraço fluvial do Rio Belém foram sucessivamente ocupados, inclusive as suas várzeas, causando impermeabilização crescente dos terrenos, favorecendo as enchentes urbanas.
Esse Rio, sofreu canalizações e as margens drenadas, descaracterizando totalmente a forma natural, agravando-se os problemas das enchentes ao longo de todo seu talvegue, até o exutório no Rio Iguaçu. Salienta ainda que, processo semelhante vem ocorrendo com outros rios do Município, tais como, Bacacheri, Barigüi, Atuba, Padilhas e Passaúna, respectivamente.
Afirma que a partir de 1970, devido ao processo migratório do meio rural aos centros urbanos, as áreas de declividades médias do Município de Curitiba foram rapidamente ocupadas, porém em taxas de adensamento baixas, porque eram áreas mais nobres e inacessíveis à maioria da população, acarretando num avanço descontrolado sobre as várzeas e planícies de inundação em direção ao sul da Cidade. Neste período, iniciou o maior desequilíbrio entre os escoamentos superficial e subterrâneo, além da intensificação dos processos erosivos e de sedimentação, aumentando a freqüência das enchentes urbanas.
Observa também que a intensificação da imigração das áreas rurais para os centros urbanos, e devido ao planejamento urbano do Município, que incentivou a valorização imobiliária, grandes áreas foram incorporadas a malha urbana. Dessa maneira, a impermeabilização dos solos pela expansão urbana, se projetou para as zonas com declividades acentuadas, principalmente nos bairros de Santa Felicidade, Pilarzinho, Schäffer, Bom Retiro, São Lourenço, Abranches, Ahú, e Barreirinha.
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Com a ocupação dos solos nas regiões com maiores declividades nas bacias hidrográficas de Curitiba, destacou-se o surgimento de um agravante a favor dos processos erosivos: Implantação de edificações e redes viárias, promovendo grandes movimentações de colúvio e de taludes, expondo amplas superfícies de solos desprotegidos a ação das águas pluviais, provocando voçorocas nas encostas e, conseqüentemente assoreamento dos cursos d água, galerias e canais. Neste período, iniciou-se o comprometimento mais sério do equilíbrio entre a drenagem superficial e os processos erosivos e de sedimentação, ocasionando enchentes freqüentes nas bacias hidrográficas de Curitiba.
GUNDLACH (1976) analisando as influências da impermeabilização de bacias hidrográficas sobre parâmetros do hidrograma unitário, baseado na reconstituição de 15 hidrogramas de enchentes, na cidade de Filadélfia E.U.A., utilizando análise estatística de regressão múltipla, obteve a relação existente entre os tempos de concentração atual e futuro de uma bacia hidrográfica, em função das taxas de impermeabilização dos solos atual e futura, como:
ARNELL (1989) mostra na Tabela 2.1 o aumento na vazão máxima no Rio Schwippe, tributário da bacia hidrográfica do Rio Würm na Alemanha, devido ao aumento da urbanização da bacia.
21 urbanização aumentar de 6,5% para 25%.
ARNELL (1989) com base nos estudos desenvolvidos pelo Instituto de Pesquisas e Obras Públicas, do Ministério da Construção do Japão, cita que a influência humana mais importante sobre o regime de escoamento dos rios no Japão é o rápido crescimento da urbanização, a qual ainda se mostra intensa em inúmeras áreas suburbanas.
O Instituto de Pesquisa e Obras Públicas coletou dados de escoamento, com discretização de 10 min, em 23 bacias hidrográficas urbanizadas em 14 rios e comparou-os com outras bacias parcialmente urbanizadas, ou ainda naturais, em várias partes do Japão. As áreas de drenagem das bacias urbanizadas estavam compreendidas entre 0,2 e 50 km2. Mostraram regimes de escoamento diferentes, em função da extensão dos diferentes graus de urbanização em que se encontravam as bacias hidrográficas.
As influências foram quantificadas em termos dos diferentes parâmetros dos modelos de escoamento superficial. Os modelos de escoamento superficial utilizados foram: Método Racional; Modelo do Armazenamento e Modelo da Onda Cinemática.
O Método Racional é definido por:
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Onde: Q = vazão máxima (m3/s);
C = coeficiente de escoamento superficial (adimensional);
i = intensidade máxima média da chuva (mm/h) para duração igual ao tempo de concentração da bacia tc;
A = área da bacia hidrográfica (km2).
As seguintes modificações foram observadas:
Bacia natural: tc 1,67 10 3(L/ I)0,7 (2.3) Para C = 0,5 a 0,7
Bacia urbanizada: tc 2,40 10 4(L/ I)0,7 (2.4) Para C = 0,7 a 0,9
Onde: tc = tempo de concentração da bacia (h);
L = comprimento do talvegue principal (m);
I = declividade do talvegue principal (m/km).
Comparando as Equações (2.3) e (2.4) fica evidenciado que o aumento do grau de urbanização de uma bacia hidrográfica, aumenta a parcela do escoamento superficial nas áreas impermeáveis e o tempo de concentração da bacia fica reduzido por uma fator 5 ou 10, quando comparado com as condições naturais dessa bacia.
ARNELL (1989) coloca que o modelo de escoamento mais utilizado no Japão é o Modelo do Armazenamento. A equação linear do armazenamento de água numa bacia hidrográfica é dada por:
) t ( Q K ) t (
S (2.5)
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Onde: S(t) = armazenamento de água na bacia (mm);
K = coeficiente de armazenamento característico da bacia;
Q(t) = vazão na bacia (mm/h);
t = tempo (h).
A equação da continuidade do escoamento é obtida por:
dt
Subtraindo o escoamento básico, o retardamento do escoamento é dado por:
) Equações (2.5) e (2.6) tem seu valor reduzido pela urbanização como:
U
U = índice de urbanização da bacia (adimensional).
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O índice de urbanização da bacia é definido pela relação:
ca
Na Equação (2.8) a variação do valor do coeficiente de armazenamento K é grande:
K = 4,0 20,0 para U = 0 (bacia em condições naturais);
K = 0,5 5,0 para U = 1 (bacia totalmente urbanizada).
Na previsão da influência humana no escoamento em canais, o Modelo da Onda Cinemática é considerado prático porque a rugosidade equivalente da superfície n pode expressar o efeito da urbanização da bacia hidrográfica.
No escoamento cinemático, segundo ARNELL (1989), a vazão em função da profundidade do escoamento é expressa por:
ym
K
q (2.9)
Onde: q = vazão por unidade de largura (m3/s.m);
y = profundidade do escoamento (m);
K = coeficiente representativo do armazenamento no canal (adimensional);
m = coeficiente da geometria da seção do canal com grande largura (= 5/3).
A equação da continuidade do escoamento não permanente num canal retangular de
Onde: = coeficiente para ajuste das unidades;
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ie = chuva efetiva sobre a bacia (mm/h);
x = extensão do canal (m) t = tempo de duração t.
No presente caso, aplicando a fórmula de Manning, obtém-se o valor de K:
p
Onde: n = coeficiente de rugosidade do canal (e/ou de Manning);
= gradiente da declividade da linha de energia;
p = 0,375.
ARNELL (1989) fornece o valor do coeficiente de rugosidade n, obtido a partir do índice de urbanização, n = 1,3 x 10-2,1U, com uma gama de variação: n = 0,30 4,00 para U = 0; n = 0,035 0,64 para U = 0,5 e n = 0,004 0,10 para U = 1,0.
Diferenças observadas numa área experimental de (20 x 20)m, com cobertura florestal e superfície descoberta, são indicadas na Tabela 2.2.
Tabela 2.2 Influências sobre o escoamento em área experimental florestada e descoberta
Solo Parâmetro
Com floresta Descoberto Coeficiente de escoamento de eventos C
Coeficiente de escoamento anual Ca Perda inicial de chuva
Taxa de infiltração final
0,17 0,47
CAMPANA et al. (1992) com imagem multiespectral das bandas 2 e 3, do satélite de Sensoriamento Remoto SPOT, com resolução espacial (20x20)m, determinaram a fração das
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áreas impermeáveis na bacia do Arroio do Meio, com 4,0 km2 de área de drenagem, sub-bacia do Arroio Dilúvio, na Região Metropolitana de Porto Alegre RS.
Existem dois tipos de fontes de radiação eletromagnética: Natural (radiação solar) e artificial (radiação emitida por um radar, etc). A energia refletida ou emitida pelos alvos, em diversas regiões do espectro eletromagnético, é medida por sensores montados em satélites de observação da terra, e armazenada na forma de imagens digitais.
As imagens digitais dos satélites de observação da terra são formadas por um arranjo regular de células elementares, denominadas de pixel, organizadas em formato raster (matrizes) e gravadas em fitas magnéticas de computador. Esses pixels se correspondem com uma determinada área do solo. Uma imagem multiespectral é formada por um conjunto de imagens obtidas simultaneamente da mesma região ou cena, em bandas distintas do espectro eletromagnético. Nas imagens, a cada pixel está associado um valor numérico ( número digital ) que representa a radiância refletida ou emitida pela correspondente parcela da área da terra, na correspondente banda espectral. O número digital varia no intervalo compreendido entre 0 e 255.
Com imagens digitais obtidas simultaneamente em diferentes bandas espectrais, identificam-se as características físicas dos alvos, sua distribuição espacial e, quando se dispõe de imagens obtidas em períodos distintos, as variações que ocorrem ao longo do tempo.
A classificação é um método, por meio do qual, rótulos são ligados aos pixels em função de suas características espectrais. Esses rótulos são chamados de classes espectrais ou simplesmente classes.
Os dois tipos principais de classificação das imagens são: Supervisionada e não-supervisionada. Na classificação supervisionada é essencial a definição prévia das classes e a caracterização destas por meio de atributos que lhe são representativos. A classificação de
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uma imagem digital é feita pela análise da forma como os diferentes alvos ou objetos refletem a radiação solar.
Aspecto da maior relevância quando se utiliza da técnica do Sensoriamento Remoto é a escolha do tipo de imagem a ser utilizada. Nas Tabelas 2.3 e 2.4 estão indicados os potenciais de utilização das imagens Landsat-TM e Spot, repectivamente.
Tabela 2.3 Potencial de aplicação das imagens Landsat-TM (Satélite dos E.U.A.)
Banda solo/vegetação. Sensibilidade à concentração de clorofila e carotenos.
TM2 0,52 0,60 Mapeamento de vegetação sadia pela reflectância verde, cujo pico se situa em 0,55 m.
TM3 0,63 0,69 Banda de absorção da clorofila, significativa na diferenciação de espécies vegetais.
TM4 0,76 0,90 Estudos de volume de biomassa, delineamento de corpos de água e aplicações em estudos geomorfológicos
TM5 1,55 1,75
Estresse de vegetação por desequilíbrio de água na cobertura foliar. Expectativa na identificação de mineralização superficial, sobretudo com os dados da divisão da banda 5 pela banda 1.
Avaliação do uso do solo.
TM6 10,4 12,5 Propriedades termais do solo, rocha, vegetação e água. Estudos de contraste térmico entre litologias de rochas silicáticas.
TM7 2,08 2,35
Esta é considerada estritamente uma banda geológica, selecionada para identificar minerais com íons hidroxila. Potencialmente favorável à discriminação de produtos de alteração hidrotermal.
Neste intervalo estão presentes algumas importantes bandas de absorção de rochas carbonáticas.
Tabela 2.4 Potencial de aplicação das imagens Spot (Satélite da França)
Banda em preto e branco. Ela privilegia a fineza geométrica da imagem e permite discriminar detalhes finos, do tamanho do pixel que é de (10x10)m. E o modo mais aconselhável para trabalhar em estereoscopia para topografia, pois assim consegue-se maior precisão altimétrica.
XS1 0,50 0,59 Apresenta sensibilidade à presença de sedimentos em suspensão, possibilitando sua análise em termos de qualidade e quantidade. Boa penetração em corpos de água.
XS2 0,61 0,68
A vegetação verde, densa e uniforme, apresenta grande absorção, ficando escura, permitindo bom contraste entre áreas ocupadas com vegetação e aquelas sem vegetação (ex.: solo exposto, estradas e áreas urbanas).
Permite a análise da variação litológica em regiões com pouca cobertura vegetal.
Permite o mapeamento da drenagem através da visualização da mata ciliar dos cursos dos rios,
XS3 0,79 0,89
Os corpos de água absorvem muita energia nesta banda e ficam escuros, permitindo o mapeamento da rede de drenagem e delineamento de corpos de água.
A vegetação verde, densa e uniforme, reflete muita energia nesta banda, aparecendo bem claras nas imagens.
Apresenta sensibilidade à morfologia do terreno, permitindo a obtenção de informações sobre geomorfologia, solos e geologia.
Serve para análise e mapeamento de feições geológicas e estruturais, e para mapear áreas ocupadas com vegetação que foram queimadas.
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CAMPANA el al. (1992) na classificação das imagens digitais em computador, utilizaram o algoritmo da Máxima Verossimilhança, com hipótese Gaussiana. Após uma interpretação visual dos diferentes tipos de cobertura do solo presentes na cena, definiram três classes de componentes primários da cena: Vegetação; área construída e solo exposto.
Com estas classes, fizeram uma classificação supervisionada da imagem pancromática SPOT, utilizando o algoritmo Fuzzy, comparando-a com a fração das áreas impermeáveis, obtida por medição direta na imagem, com resolução espacial de 10 m, obtendo os resultados da Tabela 2.5.
Tabela 2.5 Avaliação da fração de áreas impermeáveis na bacia do Arroio do Meio RS, por Sensoriamento Remoto
Imagem do Satélite SPOT Área
(km2) Multiespectral Pancromática
Permeável 3,327 3,263
Impermeável 0,758 0,822
Fonte: CAMPANA et al. (1992)
CAMPANA e TUCCI (1994) afirmam que a urbanização provoca aumento dos picos do escoamento superficial e na freqüência das inundações. Desenvolveram um algoritmo, baseado na Matemática Fuzzy, para estimativa de áreas impermeáveis em bacias hidrográficas e, aplicaram a metodologia na avaliação de áreas impermeáveis nas cidades de São Paulo, Porto Alegre e Curitiba. Com base nos dados obtidos, estabeleceram uma relação média entre áreas impermeáveis e as densidades populacionais para as três cidades.
Utilizando imagem Landsat-TM, de Maio de 1985, indicam na Tabela 2.6 as taxas de áreas impermeáveis da cidade de Curitiba, relacionadas a densidades populacionais, estimadas para o ano de 1988.
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Tabela 2.6 Taxas de áreas impermeáveis e densidades populacionais de Curitiba
Localização da área densidades populacionais maiores do que 120 hab/ha.
A tendência mostrou que a taxa de impermeabilização dos solos, nas bacias hidrográficas, convergia no intervalo compreendido entre 60 e 70%, conforme indicada na Figura 2.2.
Figura 2.2 Tendência geral da relação população x impermeabilização em bacias hidrográficas urbanas
Fonte: CAMPANA e TUCCI (1994)
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Segundo BRAGA (1994) a crescente urbanização ocorrida nos últimos 40 a 50 anos em todo o mundo gerou uma demanda por controle de inundações. Em particular, nos países em desenvolvimento, localizados no chamado trópico úmido , esse processo foi explosivo, invertendo a relação de 30% de população urbana e 70% da rural nos anos 40 para 70% de população urbana e de 30% de população rural nos anos 90. Sistemas de drenagem urbana tradicionais tem sido utilizados nestes países sob a égide de livrar-se da enchente o mais rápido possível . Neste caso canais são construídos e revestidos para dar maior escoamento às vazões de cheia que passam a importunar quem vive a jusante. Tradicionalmente, projetos de drenagem urbana tem recebido uma prioridade baixa em relação a outros projetos de recursos hídricos.
Afirma ainda que para níveis baixos de desenvolvimento, a maior prioridade é dada ao abastecimento de água doméstico. Outros elementos dos sistemas urbanos de recursos hídricos tais como, drenagem urbana e estética, ou mesmo, aspectos ambientais, apresentam baixo nível de prioridade. As enchentes urbanas, em função do baixo nível de desenvolvimento, causam danos de pequena monta e, à medida que o país ou região alcançam um nível mais elevado de desenvolvimento, estes outros aspectos passam a ter importância maior.
TUCCI (1994) salienta que a vazão máxima aumenta com a urbanização devido a duas condições principais: Impermeabilização dos solos e a redução do tempo de deslocamento do escoamento. A impermeabilização faz com que parte significativa da água da chuva que se infiltraria, escoe pelos pavimentos até a rede pluvial, aumentando o escoamento superficial de cada parcela urbana. Com a construção das galerias de águas pluviais, canais e outros dispositivos hidráulicos, o escoamento chega mais rápido a jusante, reduzindo o tempo de concentração da bacia. A tendência da urbanização é de ocorrer de jusante para montante na macrodrenagem urbana, devido as características do relevo das bacias hidrográficas.
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GÓMEZ e DOLZ (1994) salientam que na atualidade quase 50% da população mundial vive nas zonas urbanas, com um taxa incremental aproximada de 80%, nos últimos 20 anos. Citam que na Espanha acontece processo idêntico e, em algumas regiões do litoral Mediterrâneo tiveram, no período de 1970 à 1986, um incremento médio anual superior a 5%.
O desenvolvimento urbano, segundo os dois pesquisadores, altera substancialmente a hidrologia das bacias hidrográficas. Em particular, se modificam a rede de drenagem e o processo de transformação chuva-escoamento. Como conseqüência da urbanização, os canais naturais que conformavam a rede hidrográfica original será alterada profundamente, afetando de forma direta sua capacidade de escoamento e, portanto, propiciando o surgimento das enchentes urbanas.
No concernente ao Município de Curitiba, BIM (1994) apud HARDT (1994) cita que as áreas permeáveis e impermeáveis são iguais a 27.423,95 ha e 15.817,85 ha, representando 63,42% e 36,58% do seu território. Além disso, as áreas impermeabilizadas representam impedimento à recomposição das suas áreas verdes e que, 18,10% da área total da cidade está impermeabilizada e 30,57% dos seus habitantes vivem nesta área.
De acordo com a descrição feita por BIM (1994), o Município de Curitiba apresenta, na Tabela 2.7, o resumo dos tipos de cobertura das suas áreas territoriais.
Tabela 2.7 Tipos de cobertura das áreas do Município de Curitiba
Tipo de Cobertura Área (ha) (%)
1. Permeáveis 27.423,95 63,42
- Áreas Verdes Sem Cobertura Arbórea 19.803,78 45,80
- Áreas Verdes Com Cobertura Arbórea 5.937,10 13,73
- Arborização de Ruas 395,08 0,91
- Áreas Verdes Públicas 1.287,99 2,98
2. Impermeáveis 15.817,85 36,58
- Construídas 6.529,51 15,10
- Pavimentadas 8.855,92 20,48
- Outras 432,42 1,00
3. Total 43.241,80 100,00
Fonte: BIM (1994) apud HARDT (1994)
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TUCCI (1994) subdivide as enchentes em dois tipos: Enchentes de águas ribeirinhas, que ocorrem pelo processo natural e, os rios ocupam seu leito maior quando das chuvas extremas críticas; Enchentes devido a urbanização ocorrem quando existe a impermeabilização dos solos. Telhados, ruas, calçadas, estacionamentos, etc., fazem com que as águas pluviais não possam mais infiltrar no solo. Na área urbanizada aumenta a vazão máxima, ocorre antecipação do pico e aumento do volume de escoamento superficial, conforme indicado na Figura 2.3.
Figura 2.3 Hidrogramas típicos de área não desenvolvida e urbanizada Fonte: TUCCI (1994)
BUETTNER (1994) retrata na Figura 2.4 as conseqüências de uma precipitação pluvial sobre uma superfície sem a interferência humana. As águas de chuva escoam gradativamente e devido a permeabilidade natural do solo, ocorre a infiltração através da porosidade. Assim, o solo bem aerado e irrigado confere boas condições de desenvolvimento dos microorganismos e, conseqüentemente, das áreas verdes. A presença dessas áreas propicia grande evapotranspiração, regularizando a umidade atmosférica. Ao final das precipitações, com grande capacidade de infiltração, existem boas condições de recarga dos aqüíferos. Em conseqüência desse equilíbrio hídrico, após as precipitações pluviais, tem-se um baixo escoamento superficial.
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Figura 2.4 Superfícies de bacias hidrográficas sem a interferência humana Fonte: BUTTNER (1994)
Na Figura 2.5, esquematiza as conseqüências de uma precipitação pluvial sobre uma superfície modificada pela ação humana. As águas de chuva escoam rapidamente e, devido a
Na Figura 2.5, esquematiza as conseqüências de uma precipitação pluvial sobre uma superfície modificada pela ação humana. As águas de chuva escoam rapidamente e, devido a