i Trabalho de Conclusão de Curso
Universidade Federal de Santa Catarina Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental APLICAÇÃO DO MODELO SHALSTAB NO MAPEAMENTO
DE DESLIZAMENTOS RASOS NA SUB-BACIA DO RIO COMPRIDO - JOINVILLE/SC
Natália Magalhães Demartino
Orientador: Prof. Dr. Fábio Farias Pereira
Natália Magalhães Demartino
APLICAÇÃO DO MODELO SHALSTAB NO MAPEAMENTO DE DESLIZAMENTOS RASOS NA SUB-BACIA DO RIO
COMPRIDO - JOINVILLE/SC
Trabalho submetido à Banca Examinadora como parte dos requisitos para a Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental
Orientador: Prof. Dr. Fábio Farias Pereira
Co-orientador: Eng. Gabriel Phelipe Nascimento Rosolem
Florianópolis - Santa Catarina Julho, 2016.
Demartino, Natália Magalhães
Aplicação do Modelo SHALTAB no mapeamento de deslizamentos rasos na Sub-bacia do Rio Comprido – Joinville/SC / Natália Magalhães Demartino ; orientador, Prof. Dr. Fábio Farias Pereira ; co-orientador, Eng. Gabriel Phelipe Nascimento Rosolem. - Florianópolis, SC, 2016.
88 p.
Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental.
Inclui referências
1. Engenharia Sanitária e Ambiental. 2. Deslizamentos rasos. 3. SHALSTAB. 4. Joinville. I. Farias Pereira, Prof. Dr. Fábio . II. Nascimento Rosolem, Eng. Gabriel Phelipe. III. Universidade Federal de Santa Catarina. Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental. IV. Título.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL
APLICAÇÃO DO MODELO SHALSTAB NO MAPEAMENTO DE DESLIZAMENTOS RASOS NA SUB-BACIA DO RIO
COMPRIDO – JOINVILLE/SC
NATÁLIA MAGALHÃES DEMARTINO
Trabalho submetido à Banca Examinadora como parte dos requisitos para Conclusão do Curso de Graduação em Engenharia Sanitária e Ambiental – TCC II.
BANCA EXAMINADORA:
Florianópolis - Santa Catarina Julho, 2016.
AGRADECIMENTOS
Agradeço à minha família por ser o pilar mais importante da minha vida, pelo companheirismo, amor e esforços ilimitados. Por toda dedicação, carinho e compreensão para vencer cada etapa.
À Tainá Motta, que me ensinou tantas coisas lindas, que não sei mais o que esperar. Danke schön por ter me mostrado a profundidade de sentir e ser.
À UFSC e à Universidad Autónoma de Madrid por terem proporcionado as experiências acadêmicas, profissionais e culturais mais enriquecedoras.
Ao Prof. Dr. Fábio Farias Pereira pela atenção dispensada, pela confiança em me orientar a distância e pelos conselhos sobre os desafios da vida.
Ao Eng. Gabriel Rosolem que atualizou minhas definições de empatia, companheirismo e gentileza com sua co-orientação durante essa jornada. Foram horas de partilha que fizeram essa entrega possível. Às pessoas que viabilizaram os dados desse estudo: à Miryan Yumi pela realização dos ensaios laboratoriais e à Prefeitura Municipal de Joinville pelos dados georreferenciados.
À Jamile e ao Tiago que me ajudaram a dar os primeiros passos no mundo da pesquisa nos tempos de LABEFLU.
Aos meus amigos da faculdade por terem tornado essa jornada mais prazerosa e cheia de lembranças felizes. À Thau, Gabi Bolsan, Gabi Queen e Margie: vida linda, corações quentes e amor que enche.
Aos meus amigos de intercâmbio: França, Samuel, Gasques, Javornik, André, Batalha, Zitti, Erik, David, Xuxa, Lucas, Luciano, Thyago, Leo e Thiago, por serem parte indispensável das melhores histórias da minha vida.
À Jenni e Cami pelo companheirismo de anos. Nosso apoio mútuo é indiscutível e faz toda a diferença para que eu alcance os meus maiores sonhos.
Ao time da Embraco, que fez meu último ano ser incrível! Gratidão especial às três inesquecíveis amizades que cultivei: Michelle, Jean e Eliza. Vocês me inspiram e fizeram meus dias em Joinville mais felizes e leves!
Aos que direta ou indiretamente participaram da minha saga para a conclusão deste trabalho, me ouvindo e me orientando para que eu alcançasse meus objetivos.
(...) jogue fora os limites. Navegue para longe do porto seguro. Sinta os ventos em suas velas. Explore. Sonhe. Descubra. – Mark Twain, autor.
RESUMO
O aumento da frequência e da intensidade das inundações e deslizamentos de terra é um problema referente à vida humana nas cidades, desencadeado pela intensa urbanização do século XX devido à impermeabilização do solo e à ocupação de áreas de risco. Tendo em vista o objetivo de construir ferramentas que favoreçam a gestão local dos riscos no âmbito municipal através do mapeamento de perigos, os métodos de previsão auxiliam na identificação de áreas mais susceptíveis à ocorrência de deslizamentos rasos, permitindo que ações mitigadoras e preventivas sejam implementadas. Neste trabalho é aplicado um algoritmo modificado do modelo SHALSTAB, em ambiente SIG, que utiliza dados pedológicos, topográficos e hidrológicos para determinar a razão entre a quantidade de chuva e a transmissividade do solo necessária para desencadear um deslizamento. Para tanto, foram determinadas as áreas instáveis da Sub-bacia do Rio Comprido, no município de Joinville/SC, considerando a variação espacial dos parâmetros geotécnicos dos solos e diferentes cenários de profundidade de ruptura. Os procedimentos necessários incluíram a aquisição de dados existentes, a obtenção de mapas derivados e a aplicação do modelo SHALSTAB. Os resultados obtidos apontam instabilidades maiores nas regiões de relevo fortemente ondulado a escarpado e nos solos de substrato gnaisse, com destaque para o Neossolo litólico (RLd4) de baixíssima coesão. A partir do mapeamento, também foi possível identificar pontos críticos na ocupação urbana, como a localização de unidades escolares e de saúde próximas a zonas de instabilidade.
ABSTRACT
The increased frequency and intensity of floods and landslides is an issue related to human life in cities, trigged by the intense urbanization of the 20th century due to soil sealing and occupation of areas of risk. Regarding the goal of building tools to support local risk management at the municipal level by mapping hazards, prediction methods help to identify areas more susceptible to the occurrence of shallow landslides, allowing mitigating and preventive actions to be implemented. This study applied a modified algorithm of SHALSTAB model using GIS, and pedological, topographical and hydrological data to determine the ratio of the amount of rain and soil transmissivity required to trigger a landslide. Therefore, it was determined the unstable areas of Sub-bacia do Rio Comprido, in the city of Joinville/SC, considering the spatial variation of the geotechnical parameters of soils and different scenarios of total thickness of the soil. The procedures to run the model included the acquisition of existing data, the data management to obtain thematic maps and the application of SHALSTAB model. The results indicated greater instability for relief’s profile from strongly undulated to escarpment, and gneiss substrate soils, especially the Litholic Neosoil (RLd4) which has very low cohesion. Finally, it was also possible to identify critical points in the urban occupation of the sub-basin, such as the location of school and health units next to instability zones.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Fluxograma da análise de perigo e risco. ... 8
Figura 2. Classificação dos deslizamentos: a) deslizamento circular, b) deslizamento translacional e c) deslizamento em cunha. ... 11
Figura 3. Representação do Modelo de Encosta Infinita. ... 15
Figura 4. Os parâmetros utilizados para calcular umidade relativa. ... 16
Figura 5. Diagrama / em função de tan com a distribuição das classes de estabilidade do SHALSTAB. ... 18
Figura 6. Fluxograma da metodologia da aplicação do modelo SHALSTAB para a análise de deslizamentos rasos na Sub-bacia do Rio Comprido, no município de Joinville/SC. ... 19
Figura 7. Localização do Município de Joinville/SC. ... 21
Figura 8. Localização da Sub-bacia do Rio Comprido. ... 22
Figura 9. Direção do fluxo definida pelo método D-Infinito. ... 26
Figura 10. Modelo Digital do Terreno (MDT) corrigido da Sub-bacia do Rio Comprido em malha retangular. Declividades e Área de Contribuição obtidas a partir do MDT corrigido com o uso da extensão TauDEM. ... 30
Figura 11. Estimativas de Unidades Geotécnicas da Sub-bacia do Rio Comprido... 33
Figura 12. Características físicas e mecânicas dos solos da Sub-bacia do Rio Comprido. ... 40
Figura 13. Áreas suscetíveis a deslizamentos rasos considerando fluxo subsuperficial pelo método D-Infinito, massa específica saturada das Unidades Geotécnicas e profundidades de ruptura de 2 e 5 metros. ... 41
Figura 14. Detalhes do Retaludamento: a) Ortofoto do SIMGeo (2007); b) e c) Google Earth (2016). ... 45
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Aspectos interligados para a compreensão dos desastres. ... 2 Tabela 2. Classificação dos Movimentos Gravitacionais de Massa. ... 10 Tabela 3. Agentes e Causas dos Movimentos Gravitacionais de Massa. ... 12 Tabela 4. Equações derivadas da Representação do Modelo de Encosta Infinita. ... 15 Tabela 5. Classes de Estabilidade do SHALSTAB. ... 18 Tabela 6. Sub-bacias da Bacia Hidrográfica Independente da Vertente Leste. ... 20 Tabela 7. Levantamento de material bibliográfico, cartográfico e experimental da Sub-bacia do Rio Comprido ... 24 Tabela 8. Declividades da Sub-bacia do Rio Comprido e suas respectivas contribuições em área ... 31 Tabela 9. Localização Geográficas dos pontos de coleta de amostra de solo na Sub-bacia do Rio Comprido... 34 Tabela 10. Parâmetros Físicos dos Solos da Sub-bacia do Rio Comprido. ... 35 Tabela 11. Unidades Geotécnicas da Sub-bacia do Rio Comprido e suas respectivas contribuições em área ... 37 Tabela 12. Distribuição estatística das declividades por unidade geotécnica. ... 38 Tabela 13. Parâmetros de entrada do modelo SHALSTAB. ... 39 Tabela 14. Distribuição estatística das classes de estabilidade para as profundidades de rupturas de 2 e 5 metros considerando a área total da Sub-bacia do Rio Comprido e suas unidades geotécnicas: a) PAd1, b) CXd1, c) CXd4 e d) RLd4. ... 43 Tabela 15. Distribuição dos equipamentos urbanos por classe de estabilidade. ... 47
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS AML Arcinfo Macro Language
ARIE Área de Relevante Interesse Ecológico
ASTM American Society for Testing and Materials Sociedade Americana de Ensaio de Materiais
CPRM Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais Serviço Geológico Brasileiro
CXd1 Cambissolo háplico de substrato gnaisse
CXd4 Cambissolo háplico de substrato de sedimentos do período Quaternário
DEM Digital Elevation Model Modelo Digital de Elevação
Embrapa Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
Eng. Engenheiro
IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IPPUJ Fundação Instituto de Pesquisa e Planejamento para o Desenvolvimento Sustentável de Joinville
IPT Instituto de Pesquisas Tecnológicas MDT Modelo Digital do Terreno Mg Solos indiscriminados de mangue
NBR Norma Brasileira
ONU Organização das Nações Unidas PAd1 Argissolo amarelo de substrato gnaisse PMJ Prefeitura Municipal de Joinville
PNPDEC Política Nacional de Proteção e Defesa Civil RLd4 Neossolo litólico de substrato gnaisse SC Estado de Santa Catarina
SDS-SC Secretaria do Estado do Desenvolvimento Econômico Sustentável de Santa Catarina
SHALSTAB Shallow Landsliding Stability Model Modelo de estabilidade a escorregamentos rasos
SIG Sistema de Informações Geográficas
SIMGeo Sistema de Informações Municipais Georreferenciadas da Prefeitura Municipal de Joinville
SIRGAS2000 Sistema de Referência Geocêntrico para as Américas
SAD69 South American Datum 1969 Datum Sul-americano de 1969
UC Unidade de Conservação
UNISDR
United Nations Office for Disaster Risk Reduction
Escritório das Nações Unidas para Redução do Risco de Desastres
LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolo Descrição Unidade
τ Tensão cisalhante N/m²
c Coesão do solo N/m²
σ Tensão normal N/m²
µ Poro-pressão N/m²
ϕ Ângulo de atrito interno do solo Graus
W Peso do solo N
l Comprimento da encosta m
ρs Massa específica saturada do solo kg/m³
g Aceleração gravitacional m/s²
p Espessura do solo m
z Profundidade vertical do solo m
θ Declividade da encosta Graus
h Altura da coluna d’água m
ρw Densidade da água kg/m³
cr Coesão das raízes N/m²
cs Coesão do solo N/m²
Sw Sobrecarga gerada pelo peso das árvores N/m²
q Taxa de recarga uniforme mm/d
T Transmissividade do solo m²/d
a Área de contribuição m²
b Comprimento do contorno m
Ks Condutividade hidráulica saturada m/d
γnat Peso específico natural do solo kN/m³
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 OBJETIVOS ... 4 1.1.1 Objetivo geral ... 4 1.1.2 Objetivos específicos ... 4 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 5
2.1 OGEOPROCESSAMENTOAPLICADOÀGESTÃODE
RISCOSDEDESASTRES ... 5 2.2 ANÁLISEDEPERIGO ... 7 2.3 MOVIMENTOSGRAVITACIONAISDEMASSA ... 9
2.4 MODELOSDEMAPEAMENTODESUSCETIBILIDADEA
DESLIZAMENTOS ... 13 2.4.1 Shallow landslide stability model (SHALSTAB) ... 14 3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 19 3.1 CARACTERIZAÇÃODAÁREADEESTUDO ... 19 3.1.1 Bacias hidrográficas do município de Joinville - SC ... 20 3.2 LEVANTAMENTODEDADOSEXISTENTES ... 23 3.3 OBTENÇÃODEMAPASDERIVADOS... 24 3.3.1 Modelo Digital de Elevações ... 24 3.3.2 Correção do Modelo Digital de Elevações ... 25 3.3.3 Mapa de Declividades ... 25 3.3.4 Mapas de Direções de Fluxo e Área de Contribuição ... 25 3.3.5 Mapas dos Parâmetros Físicos dos Solos ... 26 3.4 APLICAÇÃODOMODELOSHALSTAB ... 26 3.4.1 Aprimoramento do modelo SHALSTAB ... 27 4 RESULTADOS ... 29 4.1 PARÂMETROSTOPOGRÁFICOS ... 29 4.1.1 Análise dos parâmetros topográficos ... 31 4.2 PARÂMETROSPEDOLÓGICOS ... 32 4.2.1 Parâmetros de propriedades geotécnicas dos solos ... 34 4.2.2 Análise dos parâmetros pedológicos ... 35 4.3 ÁREASSUSCETÍVEISADESLIZAMENTOSRASOS ... 38 4.3.1 Análise das áreas suscetíveis a deslizamentos rasos ... 42 4.3.2 Análise da ocupação urbana... 46 5 CONCLUSÕES ... 49 5.1 RECOMENDAÇÕES ... 51
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 53 APÊNDICES ... 61
1 INTRODUÇÃO
A intensa urbanização do século XX desencadeou problemas referentes à vida humana nas cidades, especialmente em sua qualidade. No Brasil, entre os anos de 1950 e 1980, o processo de êxodo rural significou a transferência de um expressivo contingente populacional na ocupação das áreas urbanas. Nas grandes cidades tal concentração foi maior, fato que acentuou a frequência e a intensidade das inundações e deslizamentos de terra, devido à impermeabilização do solo e da retificação dos canais hídricos (MENDONÇA E LEITÃO, 2008). É nesse contexto que os problemas ambientais emergem como resultado dos processos de produção das estruturas urbanas e regionais (LOMBARDO, 1995).
A degradação ambiental tem reforçado o potencial destrutivo de fenômenos naturais e, em alguns casos, apressou a sua ocorrência. Em muitas regiões, o risco de desastres tem aumentado, principalmente porque um número maior de pessoas e bens vulneráveis está localizado em áreas expostas. Por isso, é vital começar a reverter essas tendências (UNISDR, 2004).
O relatório de The World Bank and United Nations (2010) refere que o fato dos desastres ocorrerem demonstra diversas fragilidades decorrentes de decisões de planejamento e gerenciamento quando ocorrem eventos naturais de grande magnitude. As temáticas de decisão podem incluir o planejamento do território, as técnicas construtivas, a implantação de infraestruturas de saneamento, que tendem a gerar impactos sociais, econômicos e ambientais se apresentarem problemas em sua gestão.
A evolução no campo da gestão de riscos e desastres decorre diretamente do aumento acentuado em todo o mundo durante o mesmo período, das pessoas afetadas e dos danos econômicos associados com as catástrofes. Principalmente, devido ao aumento dos perigos e da vulnerabilidade e ao surgimento de novos riscos, tornou-se inevitável o aumento nos esforços para reduzi-los. A abordagem tradicional de resposta orientada para a segurança civil quanto ao desastre não aparece mais suficiente. Portanto, faz-se necessário atuar preventivamente para evitar ou minimizar a importância dessas situações. Esta abordagem envolve, entre outros, a consideração dos riscos no desenvolvimento das comunidades e do compromisso de todos os atores da sociedade (UNISDR, 2004).
Uma das ações internacionais de destaque, estabelecida pela Organização das Nações Unidas (ONU) após a Década Internacional de
Redução dos Desastres (1990-1999), o International Strategy for Disasters Reduction – ISDR – tem por finalidade capacitar todas as comunidades para se tornarem resilientes aos efeitos dos riscos naturais, tecnológicos e ambientais, reduzindo as principais ameaças que representam para vulnerabilidades sociais e econômicas das sociedades modernas e melhorando a gestão do risco através da integração da sua prevenção no desenvolvimento sustentável (UNISDR, 2004).
O efeito do processo de ocupação acelerado sobre a área urbana se faz sentir, principalmente em relação aos recursos hídricos. Tucci (1995) destaca que quando da constatação desse processo, e suas consequências, se faz necessário planejar esse espaço urbano com infraestrutura adequada e condições que possibilitem a mitigação dos impactos socioeconômicos negativos. Neste contexto, encontram-se as medidas não estruturais, que se referem às ações de políticas públicas voltadas ao planejamento do uso do solo e ao gerenciamento, como o zoneamento geoambiental, planos preventivos de defesa civil, educação ambiental (KOBIYAMA et al., 2006; VEDOVELLO E MACEDO, 2007). Para estudar tais medidas, dentro temática dos desastres, três aspectos devem ser relevados, como apresentado na Tabela 1.
Tabela 1. Aspectos interligados para a compreensão dos desastres.
Aspecto Relevância Exemplo
Clima Agente deflagrador dos processos que causam os desastres Eventos extremos de chuva
Meio físico
Todos os elementos da superfície terrestre que estão relacionados com a susceptibilidade de um processo ocorrer
Elevação/Declividade
Características sociais
Determinam o quanto a população irá receber os impactos causados por tais fenômenos
Uso e ocupação do solo
Fonte: adaptado de Mata-Lima et al. (2013).
O planejamento associa-se também a impactos negativos quando, em situações de excesso de chuvas, deriva enchentes, deslizamentos e desastres provocados pela alteração no escoamento natural das águas pluviais (TUNDISI, 2003). Sendo assim, na esfera federal brasileira foi instituída a PNPDEC - Lei Federal 12.608, de 10 de abril de 2012 -, que ressalta a identificação e o mapeamento de zonas de risco de deslizamento a fim de fornecer subsídios à tomada de decisão e na adoção de medidas preventivas e mitigadoras que venham a reduzir os
impactos negativos ocasionados por um desastre nos municípios brasileiros.
Nos últimos anos, o aumento significativo dos eventos de deslizamentos nas encostas urbanas está associado à ocupação desordenada do território em áreas com alta suscetibilidade. Atrelado a isto se verifica um aumento na frequência e na intensidade de eventos de chuva devido a mudanças climáticas (CORDERO et al., 2009). Os prejuízos humanos e econômicos ocasionados por deslizamentos são significativos e estão diretamente associados à crescente ocupação de áreas de risco, ou seja, áreas que se apresentam suscetíveis à sua ocorrência (DAI et al., 2002).
Guerra (1993) afirma que os fatores determinantes dos deslizamentos incluem, principalmente: a declividade do relevo, os eventos de chuva, a cobertura vegetal e a estabilidade das vertentes. Este último é influenciado pela topografia e pela dinâmica dos processos hidrológicos, na qual os processos de escoamento estão associados às formas de relevo, são diversos e dependem da natureza multivariada dos fenômenos físicos, químicos, biológicos e antrópicos.
No Brasil, de modo geral, pode-se afirmar que a ocorrência dos deslizamentos está quase sempre associada a eventos pluviométricos extremos. Os estados brasileiros mais afetados são: Santa Catarina, Paraná, São Paulo, Minas Gerais, Rio de Janeiro, Espírito Santo, Bahia, Sergipe, Alagoas, Pernambuco e Paraíba (KOBIYAMA et al., 2006). Estes desastres podem ser devastadores para a população que ocupa áreas com riscos de enchentes ou de deslizamentos, como os eventos ocorridos em novembro de 2008 em Santa Catarina, que também aflingiu o município de Joinville. O município de Joinville localiza-se no litoral norte do Estado de Santa Catarina com peculiaridades: está próximos à Serra do Mar e às planícies costeiras e possui alto índice pluviométrico, atípico na região.
É nesse contexto que se pode utilizar o geoprocessamento como uma ferramenta de manipulação de informações geográficas que dá ótimas perspectivas de precisão, de acordo com os objetivos do trabalho, nas análises e nos mapeamentos necessários. Nesse sentido, em 2007 foram atualizadas as informações cartográficas do município de Joinville que gerou produtos em escala 1:1.000, em SIG, que fornecem dados topográficos para a análise de suscetibilidade a deslizamentos.
Tendo em vista este objetivo pontual de construir instrumentos que favoreçam a gestão local dos riscos, no âmbito municipal, a CPRM utilizou-se de uma metodologia para o mapeamento de zonas de riscos para diversos municípios do país, gerando alguns produtos dentre os
quais uma carta de suscetibilidade a movimentos gravitacionais de massa e inundações, com escala 1:50.000, cuja elaboração considera, entre outras referências, as diretrizes contidas no manual para zoneamento de suscetibilidade, perigo e risco a deslizamento, publicado em 2008 pelo Comitê Técnico de Deslizamentos e Taludes Construídos, das associações técnico-científicas internacionais de geologia de engenharia e engenharia geotécnica (CPRM, 2014).
Porém, estudos recentes têm mostrado que as melhores abordagens para esse tipo de previsão espacial é a aplicação de modelos determinísticos de estabilidade de encostas, combinado com modelos hidrológicos de estado uniforme, como o SHALSTAB (MONTGOMERY E DIETRICH, 1984), que podem fornecer cenários de instabilidade potencial sob diferentes condições ambientais e climáticas.
Deste modo, este trabalho tem o objetivo analisar a suscetibilidade a deslizamentos da Sub-bacia do Rio Comprido no município de Joinville/SC, a partir da aplicação do modelo SHALSTAB em ambiente SIG, associando dados de relevo, geologia, pedologia e hidrologia da região para a criação de mapas de suscetibilidade em escala 1:1.000. Pretende-se desenvolver esta pesquisa com intuito de contribuir para que a expansão urbana não ocorra sobre novas áreas susceptíveis ao risco de deslizamentos no município de Joinville/SC. 1.1 OBJETIVOS
1.1.1 Objetivo geral
Aplicar o modelo SHALSTAB para mapear as áreas suscetíveis a deslizamentos rasos da Sub-bacia do Rio Comprido - Joinville/SC, em um SIG.
1.1.2 Objetivos específicos
a) Caracterizar a Sub-bacia do Rio Comprido quanto aos aspectos topográficos, hidrológicos e pedológicos;
b) Aplicar o modelo SHALSTAB, considerando os dados geotécnicos e o mapeamento em SIG levantados para a Sub-bacia do Rio Comprido;
c) Analisar as áreas suscetíveis a deslizamentos da Sub-bacia do Rio Comprido quanto à declividade, às unidades geotécnicas e à ocupação urbana.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 O GEOPROCESSAMENTO APLICADO À GESTÃO DE
RISCOS DE DESASTRES
Ao longo do tempo e do espaço, o relevo pode se apresentar através de distintos tipos dinâmicos, tendo a ação humana uma interferência direta na sua forma (ROSS, 2003). Os problemas ambientais observados nos centros urbanos têm relação direta com as atividades de urbanização e industrialização, de modo a gerar pressões sobre o meio físico e, consequentemente aumentando a geração de poluição (GUERRA E MARÇAL, 2006).
O Geoprocessamento utiliza técnicas matemáticas e de computação para proceder ao processamento digital de dados e informações com referência geográfica, sendo bastante utilizado nas áreas de Transporte, Cartografia, Comunicação, Gestão Ambiental, Energia e Planejamento Urbano e Territorial (CÂMARA E DAVIS, 2001).
Nos últimos anos, o crescimento das cidades tem sido estudado no que diz respeito aos aspectos ambientais. Estes estudos são realizados para identificar os efeitos negativos e desenvolver ações de monitoramento; que têm o objetivo de facilitar o planejamento urbano. Os SIGs são de grande auxílio para esse planejamento por se tratarem um tipo de ferramenta de computação utilizada no Geoprocessamento de maneira a realizar análises complexas pelo processamento integrado de banco de dados, além de ser capaz de criá-los com grande grau de confiabilidade.
Sendo assim, pode-se dizer que os SIGs são muito úteis na tomada de decisão e em estudos. Com a utilização das imagens de satélite para análise de uso do solo, identificação, mensuração e quantificação de seus elementos componentes, torna-se possível o estabelecimento de banco de dados e de mapas temáticos gerados a partir destes. Muitos produtos cartográficos são gerados usando ferramentas de SIG, como mapas de inclinação, mapas de elevação, mapas de cobertura vegetal e pedologia, servindo para identificar as formas de relevo. Ao se analisar e cruzar esses mapas é possível discutir direta e pontualmente a expansão urbana e a preservação do meio urbano (CORREIA et al., 2007).
Cabe também enfatizar que a geração de mapas de inventários ou mapas de densidade de ocorrências indicam as áreas com potencial de instabilização (FERNANDES et al., 2001) e que geralmente estes
modelos se utilizam de distintas fontes de dados em SIG (pluviométricos, geológicos e geomorfológicos, geotécnicos, digitais do terreno, entre outros) para avaliar o potencial de instabilidade das vertentes, espacial e temporalmente.
Com a disseminação do uso de SIGs, os estudos de perigo ou de previsão de áreas instáveis tiveram um grande desenvolvimento a partir da década de 1990 (TOMINAGA et al., 2009), especialmente por se tratar da Década Internacional de Redução dos Desastres (1990-1999). No Brasil, as propostas para elaboração de cartas de risco são numerosas e vale mencionar os trabalhos desenvolvidos pelo IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas de São Paulo) e, mais recentemente, pelo Serviço Geológico Brasileiro (CPRM, 2014).
A suscetibilidade a deslizamentos de uma área está diretamente relacionada à probabilidade dessa área ser atingida por fatores desencadeantes. Segundo autores como Tucci (1993), variáveis como hipsometria e declividade são condicionais e interferentes no processo de geração do escoamento superficial. Assim sendo, a translação e o armazenamento ficam dependentes da disposição no espaço das vertentes e da rede de drenagem. Tominaga et al. (2009), consideraram a suscetibilidade natural do terreno e as características do uso e ocupação do solo como indicativos do perigo potencial. Outros autores, tais como Cooke e Doornkamp (1990), Fernandes e Amaral (1996) também consideram que, quando se trata de deslizamentos, o mapa de suscetibilidade corresponde ao mapa de perigo, uma vez que representam probabilidades espaciais, as quais podem ser consideradas também como indicativas das probabilidades temporais. Nos estudos de Goudie (2004) incorporam-se as formas da paisagem (geomorfologia) nos estudos dos processos hidrológicos. Além desses autores, Silde e Onda (2004) enumeraram os processos de escoamento superficial influenciados por fatores de modelagem hidrológica que afetam a deflagração de deslizamentos e avaliação das propriedades hidrológicas dos solos associados a deslizamentos e a interação entre precipitação e ambiente terrestre como estudos hidrogeomorfológicos, o que reforça a importância do geoprocessamento aplicado à hidrologia e, consequentemente, à gestão dos riscos de desastres.
O mapa de perigo representa, portanto, o potencial de ocorrência, em uma área ou região, de processos que podem ser causadores de desastres e, desta forma, contribui com importantes subsídios para o adequado planejamento do uso e ocupação do solo visando o controle e redução dos desastres (TOMINAGA et al., 2009).
2.2 ANÁLISE DE PERIGO
A sociedade vive em meio a riscos de forma permanente, de maneira tal que eles fazem parte da vida e da evolução de toda e qualquer sociedade. Conforme Monteiro (1996), a existência do risco é em função do ajustamento humano aos eventos naturais extremos, de modo que os movimentos de massa não seriam perigosos se as encostas não fossem intensamente ocupadas, com formas espontâneas, precárias em sítios perigosos.
Vestena (2010) conclui que a identificação e o mapeamento das áreas suscetíveis a deslizamentos subsidiam a tomada de decisão e é essencial para o planejamento ambiental e manejo adequado do uso e ocupação da terra (GUZZETTI et al., 1999; DAI et al., 2002; SANTACANA et al., 2003), no sentido de que previnem e/ou amenizam os impactos ocasionados pelos deslizamentos, por meio de ações antrópicas planejadas e orientadas sobre o meio físico. Os métodos, técnicas de identificação, análise e cartografia dos riscos naturais no Brasil têm extenso desenvolvimento e tratam de deslizamentos majoritariamente.
O mapeamento do perigo é processo fundamental para a gestão dos riscos e, consequentemente, para atuar na sua redução, caraterizado pela sucessão de etapas, como as do exemplo da Figura 1, que identificam, classificam e analisam a suscetibilidade aos desastres. Em alguns casos, torna-se relevante realizar a segunda etapa deste processo: desenvolver metodologia para avaliar a vulnerabilidade ao risco de desastres, a fim de se obter o reconhecimento de zonas de risco. Como resultado da combinação das etapas é possível mapear os riscos em si e gerar produtos como os da Ação Emergencial para reconhecimento de áreas de alto e muito alto risco a movimentos de massas e enchentes, realizada no município de Joinville/SC, pelo Serviço Geológico do Brasil (CPRM, 2012).
Do ponto de vista acadêmico, uma característica importante citada por Mitjavila e Grah (2011) refere-se à ausência de trabalhos que abordem a problemática do risco em si mesma, seja em nível teórico ou empírico, e neste tipo de produção escrita, a maioria dos autores se refere aos riscos de maneira implícita, de modo que não sustenta efetivamente os argumentos dos autores. Já da ótica técnica, Nathan (2009) aponta a vulnerabilidade técnica como fator limitante, na qual se manifestam o conhecimento e/ou a utilização insuficiente de técnicas de gestão de risco.
Figura 1. Fluxograma da análise de perigo e risco.
Fonte: adaptado de Tominaga et al., 2004.
Acredita-se, então, que a combinação de mapeamentos e monitoramentos de campo, através de modelos matemáticos baseados em processos, tenha muito a contribuir nessa direção. Neste sentido, Perez (2013) propôs um método de um índice de vulnerabilidade urbana baseado em dados de eventos extremos de chuva que constituiu em um modelo de fácil aplicação e uma ferramenta de grande utilidade para o diagnóstico e a análise de risco ambiental, podendo ser aplicado para outras regiões que sofrem problemas de deslizamentos.
Deste modo, é importante levar em consideração que o risco ambiental é resultante de três categorias básicas (risco natural, risco tecnológico e risco social) presente nas cidades, fruto do trabalho e das relações sociais no urbano (SANTOS, 2007). No entanto, este trabalho contará somente com a análise da primeira categoria (análise de perigo), a partir da susceptibilidade para aqueles locais com condicionantes ou predisposição à ocorrência de desastres.
2.3 MOVIMENTOS GRAVITACIONAIS DE MASSA
De acordo com Selby (1993), o rompimento seguido de deslocamento de solos e rochas sob a ação da gravidade é nomeado movimento gravitacional de massa.
A classificação dos movimentos de massa tem sido realizada por diversos autores, relacionada, majoritariamente, ao plano de ruptura e no tipo de material do movimento, mas também pode considerar a velocidade do movimento e a quantidade de água e gelo contidos na massa (GUIDICINI E NIEBLE, 1984; FREIRE, 1965; AUGUSTO FILHO, 1992; THIVES E TRICHÊS, 2009).
A classificação mais difundida é a de Varnes (1978), na qual o movimento de massa pode proceder de uma das três principais formas: deslizamentos, queda ou escoamento (fluxo) ou uma combinação destes. No Brasil, a classificação em rastejo, escorregamento, fluxo e queda, de Augusto Filho (1992), descreve de forma sucinta os principais tipos de movimentos gravitacionais de massa que ocorrem com maior frequência no país e suas características, como materiais, velocidade e geometria mobilizada, que são relativos à dinâmica de ambientes tropicais (Tabela 2). Atualmente, essa é a classificação mais utilizada para a elaboração de mapas de risco em cidades brasileiras.
Essas perdas de massa ocorrem em todos os ambientes e épocas, porém sua dinâmica é complexa e naturalmente está associada ao aumento das tensões cisalhantes do solo, à diminuição da resistência ao cisalhamento causada por descontinuidades na sua estrutura e aos processos de intemperismo que afetam a resistência do material (THIVES E TRICHÊS, 2009).
Tabela 2. Classificação dos Movimentos Gravitacionais de Massa. Processos Características do Movimento/Material/Geometria
Rastejos (creep)
Vários planos de deslocamento (internos)
Velocidades muito baixas (cm/ano) a baixas e decrescentes com a profundidade
Movimentos constantes, sazonais ou intermitentes Solo, depósitos, rocha alterada/fraturada
Geometria indefinida.
Deslizamentos (slides)
Poucos planos de deslocamento (externos) Velocidades medias (m/h) a altas (m/s) Pequenos a grandes volumes de material Geometria e materiais variáveis
Planares – solos pouco espessos, solo e rochas com um plano de fraqueza
Circulares – solos espessos homogêneos e rochas muito fraturadas Em cunha – solos e rochas com dois planos de fraquezas
Quedas (falls)
Sem planos de deslocamento
Movimentos tipo queda livre ou em plano inclinado Velocidades muito altas (vários m/s)
Material rochoso
Pequenos a médios volumes
Geometria variável: lascas, placas, blocos, etc. Rolamento de matacão
Tombamento
Corridas (flows)
Muitas superfícies de deslocamento (internas e externas à massa em movimento)
Movimento semelhante ao de um líquido viscoso Desenvolvimento ao longo das drenagens Velocidades médias a altas
Mobilização de solo, rocha, detritos e água Grandes volumes de material
Extenso raio de alcance, mesmo em áreas planas. Fonte: Augusto Filho, 1992.
No Brasil, os movimentos de massa mais comuns são os deslizamentos, entendidos como sendo um deslocamento rápido de uma massa de volume bem definido de material presente na encosta, cujo centro de gravidade avança na direção para frente e para baixo (TERZAGHI, 1960). De acordo com a geometria da superfície de ruptura (Figura 2) os deslizamentos podem ser classificados em circulares (rotacionais), planares (translacionais) ou em cunha. A morfologia dos deslizamentos translacionais, analisados neste estudo, caracteriza-se por serem rasos, com o plano de ruptura, na maioria das vezes, a 0,5 a 5,0 m de profundidade e com maiores extensões no comprimento (TOMINAGA et al., 2009).
Figura 2. Classificação dos deslizamentos: a) deslizamento circular, b) deslizamento translacional e c) deslizamento em cunha.
a) b)
c)
Fonte: adaptado de TOMINAGA et al., 2009.
Portanto, é necessário um claro entendimento dos mecanismos e fatores dos movimentos, especialmente para se definir medidas de redução de risco. Guidicini e Nieble (1984) mostram como diferentes formas de movimentos de massa são consequência de um mesmo agente ou uma mesma causa (Tabela 3).
A maioria dos deslizamentos registrados em regiões tropicais está associada a episódios de elevada pluviosidade, de duração variada (GUIDICINI E NIEBLE, 1984), que causam a diminuição da coesão e ângulo de atrito, aumento do peso específico do solo e formação de nível hidrostático (IPT, 1988). Por outro lado, tais índices pluviométricos críticos variam com o regime de infiltração no solo, a dinâmica das águas subterrâneas e o tipo de instabilização.
Tabela 3. Agentes e Causas dos Movimentos Gravitacionais de Massa. C A U SA S Internas
Efeito das oscilações térmicas; redução dos parâmetros de resistência ao cisalhamento por intemperismo (aumento da pressão hidrostática, diminuição da coesão e ângulo de atrito interno do material).
Externas
Mudanças na geometria da encosta; efeito de vibrações; mudanças naturais na inclinação das encostas por processos naturais e artificiais.
Intermediária
Elevação do nível piezométrico em massas homogêneas; elevação da coluna d’água em descontinuidades; rebaixamento rápido do lençol freático; erosão subterrânea
retrogressiva (pipping); diminuição do efeito da coesão aparente. A G E N T E S Predisponentes
Condições geológicas (mineralógica, tectônica e estratigráfica), geomorfológicas (inclinação e forma das vertentes) e climatológicas regime hidrológico), além da ação gravitacional, calor e vegetação.
Efetivos
Preparatórios
Pluviosidade, erosão pela água e vento, congelamento e degelo, variação de temperatura, dissolução química, ação de fontes e mananciais, oscilação do nível de lagos e marés e do lençol freático, ação de animais e humana, inclusive
desflorestamento.
Imediatos Chuvas intensas, fusão de gelo e neves, erosão, terremotos, ondas, ventos, ação do homem, etc.
Fonte: adaptado de Guidicini e Nieble, 1984.
Ao longo dos anos, estudos vêm tentando estabelecer correlações empíricas, probabilísticas ou físico-matemáticas, a fim de determinar a influência da pluviosidade nos deslizamentos.
Tatizana et al. (1987) realizou estudos através do levantamento de eventos de deslizamentos e em dados pluviométricos horários e propôs uma correlação entre chuvas e deslizamentos na região de Cubatão (SP).
Minder et al. (2009) investigaram movimentos translacionais buscando a influência da precipitação nos deslizamentos no Olympic Mountains em Washington, nos Estados Unidos. Para tanto utilizaram
dados de estações pluviométricas para determinar a suscetibilidade a deslizamentos da área utilizando o modelo de predição de deslizamentos SHALSTAB.
Michel et al. (2011) mapearam a chuva crítica que deflagra deslizamentos rasos ao manipular em ambiente SIG dados geomorfológicos e pluviométricos da Bacia do Rio do Cunha/SC usando o SHALSTAB. Para tanto, calibraram o modelo a partir de eventos extremos de chuva que desencadearam deslizamentos reais e concluíram que foram consequência de um longo período chuvoso.
Machado (2011) evidenciou a importância de dados de pluviometria para determinar com o SHALSTAB as zonas suscetíveis a deslizamentos a partir da coesão crítica do solo, considerando sua variação espacial no município de Paraty/RJ.
2.4 MODELOS DE MAPEAMENTO DE SUSCETIBILIDADE A DESLIZAMENTOS
De modo a mitigar as perdas provocadas por deslizamentos de terras, muitas abordagens de mapeamento da susceptibilidade a deslizamentos foram desenvolvidas e testadas ao longo dos anos (VAN WESTEN et al., 1993; GUZZETTI et al., 1999; DAI et al., 2002; CARRARA E PIKE, 2008). Estes métodos apresentam problemas complexos e dificuldades para a confiabilidade da previsão espacial. No entanto, é de conhecimento geral que todos os métodos disponíveis para as avaliações de susceptibilidade a deslizamentos têm algumas incertezas devido à falta de conhecimento e de variabilidade para os parâmetros de entrada e saída.
O mapeamento de perigo de deslizamento é amplamente utilizado no planejamento do desenvolvimento de recursos e no planejamento de projetos de estradas, ferrovias, gasodutos e linhas de transmissão. O perigo é a probabilidade de ocorrência de um deslizamento de terra potencialmente prejudicial dentro de um determinado período e de uma determinada área (VARNES, 1978).
Os modelos em SIG para estabilidade de encostas podem ser classificados em quatro métodos principais: inventário, heurística, estatística e determinística; e apresenta diferentes abordagens.
O modelo geotécnico, que é determinístico ou probabilístico, tem sido amplamente utilizado em engenharia civil e geologia de engenharia para análise de estabilidade de taludes. O índice de estabilidade é um fator de segurança conhecido, com base no modelo geotécnico apropriado e nos parâmetros físico-mecânicos do solo. Por isso, o
cálculo do fator de segurança exige os dados geométricos, dados sobre os parâmetros de resistência e informações sobre a pressão da água intersticial no solo.
Vários pesquisadores têm proposto diferentes abordagens deterministas com base em um modelo de estabilidade do talude infinito com modelos de infiltração da precipitação (MONTGOMERY E DIETRICH, 1994; DYMOND et al., 1999; PACK et al., 1998). Normalmente, um modelo de base física, incluindo um modelo hidrológico acoplado e um modelo de estabilidade de encostas, junto com um modelo de impacto, como o rendimento da bacia sedimentar. 2.4.1 Shallow landslide stability model (SHALSTAB)
O SHALSTAB (MONTGOMERY E DIETRICH, 1994) é um modelo de base física, que prevê a instabilidade a deslizamentos rasos com base na precipitação crítica, incluindo o modelo hidrológico de estado uniforme que considera fluxos subsuperficiais constantes (O'LOUGHLIN, 1986) e o modelo de estabilidade de encosta infinita utilizando os critérios de falha de Mohr-Coulomb. De acordo com os autores, o modelo SHALSTAB pode não ser adequado para encostas mais íngremes ou terrenos montanhosos.
Guimarães et al. (2003) mencionou que o modelo SHALSTAB tem bom desempenho em áreas tropicais, além das áreas de clima temperado para as quais foi desenvolvido, mas o desempenho do modelo foi sensível a resolução de DEM e escala do mapa topográfico: um DEM de alta resolução e escala 1:10.000 dos dados topográficos aumentam o desempenho do modelo para a previsão de deslizamentos rasos.
a) Modelo de Estabilidade de Encosta Infinita
A teoria do talude infinito expressa a estabilidade de uma encosta baseada nas tensões responsáveis pela sua sustentação (σ) e naquelas responsáveis pela sua desestabilização (τ), conforme representado pela Figura 3.
Sendo assim, a teoria coloca a resistência ao cisalhamento como o principal parâmetro analisado que determina a segurança do talude, tendo como base o critério de ruptura de Mohr- Columb.
Figura 3. Representação do Modelo de Encosta Infinita.
Fonte: Michel (2013)
As equações derivadas da representação do modelo de encosta infinita para que as forças sejam desmembradas em vetores perpendiculares e paralelos à superfície de ruptura e que desempenham papel essencial na modelagem do SHALSTAB estão representadas na Tabela 4.
Tabela 4. Equações derivadas da Representação do Modelo de Encosta Infinita.
Variável Equação Unidade
Peso do solo = ∙ ∙ ∙ N (2)
Tensão tangencial
(de cisalhamento) = sin = ∙ ∙ ∙ cos ∙ sin ² (3)
Tensão normal = cos = ∙ ∙ ∙ cos² ² (4)
Poropressão ! = ∙ "∙ # ∙ cos² ² (5)
Para a análise de deslizamentos rasos, utilizando o modelo de estabilidade de encosta infinita, os efeitos causados por atrito nas laterais e nas extremidades são desprezados. Assim, podem-se substituir as Equações (2), (3), (4) e (5) na Equação (1):
$ ∙ ∙ cos sin = + ∙ ∙ ∙ cos² − ∙ "∙ # ∙ cos² tan (6) Esta equação pode então ser resolvida em função de %
&, que é a proporção da coluna de solo que está saturada quando ocorre a instabilidade:
#=
"∙ '1 − tan
tan ) + cos² ∙ tan ∙ "∙ ∙
(7)
b) Modelo Hidrológico de Estado Uniforme
Esse modelo é descrito por Beven e Kirkby (1979) e O’Loughlin (1986) e calcula também a umidade relativa baseada no fluxo de água em estado uniforme paralelo ao plano inclinado Figura 4.
=*+ sin (8)
Figura 4. Os parâmetros utilizados para calcular umidade relativa.
Fonte: O'loughlin (1986).
Também pode ser escrita com base da Lei de Darcy:
* ∙ = , # cos sin (9)
+ sin = , cos sin (10)
O SHALSTAB também utiliza o parâmetro -. como resultado da Equação (8):
=#=*+ sin (11)
c) Combinação dos Modelos
Se o SHALSTAB é uma equação unidimensional de estabilidade de taludes infinitos sob o critério de Mohr-Coloumb em termos da razão
do modelo hidrológico /0 (o estado uniforme crítico para desencadear a falha) para a estabilidade relativa da encosta classificada, então:
*
+ sin = "'1 − tan
tan ) + ∙ ∙ cos² ∙ tan ∙ "
(12)
*
+ =sin1 2 "'1 − tan
tan ) + ∙ ∙ cos² ∙ tan ∙ "3
(13)
Para os resultados, porque /0 é sempre <1, log /0 é utilizada (MONTGOMERY E DIETRICH, 1994). Um valor de log /0 calcula para cada pixel no MDT da área de estudo. Na maioria dos casos, o modelo pressupõe parâmetros do solo constantes e coesão do solo negligenciada, sendo essa a maior simplificação no SHALSTAB. Essa aproximação é claramente errada na maioria das aplicações, pois a coesão do solo e a força das raízes da vegetação desempenham um papel importante na estabilidade de taludes (MICHEL, 2013).
Finalmente, o modelo define as classes de estabilidade sob condições diferentes apresentadas na Tabela 5.
Além disso, Montgomery e Dietrich (1994) acharam interessante plotar um gráfico 45 em função da tan θ para representar as diferentes classes de estabilidade. A linha tracejada representa o limite de saturação e a linha pontilhada é definida a partir de valores obtidos pela Figura 5.
Tabela 5. Classes de Estabilidade do SHALSTAB. Classe de estabilidade Condição
(A) Incondicionalmente estável e
saturado tan 6 tan 71 −889:;; 4
5<0/sin (B) Incondicionalmente estável e
não saturado tan 6 tan 71 −
89 8:;; 4 5= 0 /sin (C) Estável e não saturado
4 5> 8: 8971 − ?4@ A ?4@ B; 0 /CDE ; 4 5< 0 /sin ; tan < tan ³ tan '1 − ") (D) Instável e não saturado
4
5>889:71 − HIJ A
HIJ B;0/sin ; 45=0/sin ; tan < tan ³ tan '1 − ") (E) Instável e saturado
4 5= 8: 8971 − ?4@ A ?4@ B; 0 /CDE ; 4 5= 0
/sin ;tan < tan ³ tan 71 − 89
8:; (F) Incondicionalmente instável e
não saturado tan < tan ; 4 5<
0 /sin (G) Incondicionalmente instável
e saturado tan < tan ;
4
5=
0 /sin Fonte: Montgomery e Dietrich (1994).
Figura 5. Diagrama 4
5 em função de tan com a distribuição das classes de estabilidade do SHALSTAB.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
Os procedimentos adotados neste estudo levam a cabo a identificação e análise da geotecnia, declividade, direções de fluxo, área de contribuição e parâmetros físicos do solo da Sub-bacia do Rio Comprido, os quais foram representados em mapas temáticos, servindo de apoio para integração de diferentes elementos e a realização do mapeamento das áreas susceptíveis a deslizamentos rasos, utilizando o SHALSTAB. A Figura 6 representa as etapas adotadas para a metodologia descrita nas próximas sessões.
Figura 6. Fluxograma da metodologia da aplicação do modelo SHALSTAB para a análise de deslizamentos rasos na Sub-bacia do Rio Comprido, no
município de Joinville/SC.
3.1 CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO
Na região nordeste do Estado de Santa Catarina situa-se o município de Joinville, aproximadamente entre as coordenadas 26°15’ S e 48°45’ W, delimitado ao sul com os municípios de Araquari e Guaramirim, a oeste, Schroeder e Campo Alegre, ao norte, Garuva e ao leste, o complexo da Baía da Babitonga e São Francisco do Sul. Sua sede está 4 m acima do nível do mar. Sua população, segundo o censo
de 2010 do IBGE, é de 515.288 habitantes (IBGE, 2010), sendo a maior cidade do Estado em população.
Joinville compreende uma área total de 1.135,05 Km2, dos quais 212,6 km2 são de área urbana e 922,45 km2 de área rural (MAIA et al., 2013) (Figura 7), onde estão inclusas as Bacias Hidrográficas Independentes da Vertente Leste, que comporta a Sub-bacia do Rio Comprido, objeto de estudo deste trabalho. Gonçalves e Oliveira (2001) destacam que a alta densidade de cursos d’água em Joinville deve-se à reduzida permeabilidade do solo argiloso aliada ao alto índice pluviométrico.
3.1.1 Bacias hidrográficas do município de Joinville - SC
O Complexo Hídrico da Baía da Babitonga abrange os municípios de São Francisco do Sul, Araquari, Barra do Sul, Joinville, Garuva, Itapoá e Joinville. Joinville possui 07 Bacias Hidrográficas (MAIA et al., 2013), que, estão inseridas na Região Atlântico Sul, segundo as regiões hidrográficas do Brasil definidas pela Agência Nacional de Águas (ANA, 2010); e na Região Hidrográfica 06 ou Baixada Norte, segundo a regionalização feita pela Secretaria de Desenvolvimento Sustentável do estado de Santa Catarina (SDS, 2006).
As três principais bacias hidrográficas do município são a do Rio Cubatão (Norte) e a do Rio Piraí, em relação à captação de água, e a do Rio Cachoeira, quando se trata de descarte de efluente residencial e industrial (MAIA et al., 2013).
A área de estudo está localizada nas Bacias Hidrográficas Independentes da Vertente Leste, conforme mostrado na Tabela 6 e na Figura 8. A área confronta a oeste as Bacias Hidrográficas do Rio Cubatão e do Rio Cachoeira, ao norte novamente a Bacia do Rio Cubatão e ao sul as Bacias Hidrográficas Independentes da Vertente Sul.
Tabela 6. Sub-bacias da Bacia Hidrográfica Independente da Vertente Leste. Bacia Hidrográfica Sub-bacias
Independente da Vertente Leste
Rio do Ferro, Rio Iririú-mirim (próximo à rua Guaíra), da Associação Atlética Tupy, Rio Fortunae/ou Guaxanduva, canal de contenção do mangue, Rio Iririú-Guaçú, Rio Varador, Rio Comprido (da rua Ponte Serrada), Rio Cubatãozinho
Com cerca de 103.223 habitantes, as Bacias Independentes da Vertente Leste abrange uma área, predominantemente urbana, de 94,93 km², e perímetro de 44,93 km. A área verde, com grande contribuição dos Morros do Boa Vista e Iririú, é de 25,3 km² (IPPUJ, 2011).
As Bacias Hidrográficas Independentes da Vertente Leste caracterizam-se pelo fato de os cursos d’água ter suas as nascentes localizadas junto aos Morros do Boa Vista e Iririú e desaguarem diretamente na Baía da Babitonga. Os principais rios que formam este complexo hídrico são: Rio Comprido, Rio Fortuna/Guaxanduva, Rio Iririú-Mirim, Rio do Ferro, Rio Iririú-Guaçú e Cubatãozinho (Silveira et al., 2009).
O Rio Comprido possui nascente no Morro do Boa Vista e desagua diretamente na Baía de Babitonga. Com área de 2,5 km² e com um perímetro de cerca de 8 km, a Sub-bacia do Rio Comprido possui relevo mais elevado na porção sudeste com morros altos, chegando a 170 m, e planícies e terraços fluviais e marinhos entre 0 – 10 m.
A Sub-bacia do Rio Comprido é uma bacia urbanizada e engloba parte da recente Unidade de Conservação Área de Relevante Interesse Ecológico do Morro do Boa Vista. O solo, segundo a classificação da Embrapa (2006), é predominantemente cambissolo, tendo áreas menores de argissolo, neossolo e indiscriminado de mangue (PMJ, 2011). Além disso, a cobertura vegetal é caracterizada por floresta ombrófila densa.
De acordo com Uberti (2011), o clima é subtropical constantemente úmido, sem estação seca, com verão quente. A temperatura média anual da varia de 19,1 a 20,0ºC. Quanto às chuvas, valores normais mostram uma média que oscila entre 1.430 a 1.908 mm, espalhados em 156 a 185 dias, anualmente. A umidade relativa do ar pode variar de 84,2 a 87,2 %. Esses dados fazem da região na qual a Sub-bacia do Rio Comprido está localizada, aquela com as médias anuais de temperatura, precipitação e umidade mais elevadas do Estado de Santa Catarina (MAIA et al., 2013).
3.2 LEVANTAMENTO DE DADOS EXISTENTES
O levantamento do material bibliográfico, cartográfico e experimental referente à área de estudo, foi realizado junto à SEMA, ao SIMGeo, ao Eng. Gabriel Rosolem e ao Boletim Técnico do Eng. Agrônomo Antônio Ayrton Auzani Uberti, os quais foram adquiridos conforme mostrado na Tabela 7.
Tabela 7. Levantamento de material bibliográfico, cartográfico e experimental da Sub-bacia do Rio Comprido
Informação Ano Escala DATUM Fonte
Limites das Bacias e Sub-bacias Hidrográficas 2015 1:10.000 UTM/SIRGAS 2000 SEMA (2015) Curvas de nível e
pontos cotados 2007 1:1.000 UTM/SIRGAS 2000 SIMGeo (2016) Hidrografia 2007-2010 1:1.000/ 1:5.000 UTM/SIRGAS 2000 SIMGeo (2016)
Mapa pedológico 2011 1:10.000 UTM/SIRGAS 2000 SIMGeo (2016)
Parâmetros
físicos dos solos 2016 - - Eng. Gabriel Rosolem
Características
dos solos 2011 - - Uberti (2011)
3.3 OBTENÇÃO DE MAPAS DERIVADOS
Com o levantamento de dados existentes, uma série de mapas temáticos derivados foi criada para subsidiar a definição das áreas suscetíveis a deslizamentos rasos.
3.3.1 Modelo Digital de Elevações
Segundo Guimarães et al. (2009), o MDT constitui a base para a determinação da declividade (θ) e da área de contribuição (a), sendo componente fundamental no modelo de predição de zonas susceptíveis à ocorrência de deslizamentos rasos. Desta maneira, é necessário que se produza um MDT o mais confiável possível.
Neste trabalho, o mapa foi elaborado com o uso do software de geoprocessamento ArcMap 10.1®, da ESRI, no qual gerou-se um MDT em malha retangular através da ferramenta Topo to Raster, a partir das curvas de nível com intervalos de 1 m e pontos cotados, em escala 1:1.000 da restituição aerofotogramétrica de 2007 do SIMGeo.
3.3.2 Correção do Modelo Digital de Elevações
O MDT gerado pode apresentar imperfeições, fazendo-se necessária a regularização através da criação do mapa de sumidouro. A correção do MDT elimina picos e sumidouros que podem afetar a análise de distribuição do fluxo d’água. Neste trabalho tal procedimento foi realizado através da ferramenta pit remove da extensão TauDEM®, disponibilizada gratuitamente pela Utah State University para utilização no software ArcMap 10.1®.
3.3.3 Mapa de Declividades
Para entender melhor a ocorrência dos deslizamentos de terra, em relação à declividade, foi obtido o mapa de declividade para a área de estudo através do software ArcMap 10.1®, tendo como base o MDT corrigido gerado anteriormente. A ferramenta slope consiste em uma ferramenta que reconhece o valor de elevação de cada pixel e gera mapas de declividade em porcentagem ou em graus. Neste estudo, o mapa obtido utilizou graus para o cálculo no modelo SHALSTAB, porém sua a representação foi apresentada em porcentagem para facilitar a compreensão do leitor.
3.3.4 Mapas de Direções de Fluxo e Área de Contribuição
Neste trabalho, a geração do mapa da área de contribuição considerou infinitas direções pelo método D-Infinito, de Tarboton (1997), que realiza a distribuição de fluxo de forma proporcional entre as células localizadas à jusante, de acordo com a declividade local (Figura 9). Para tanto, utilizou-se no software ArcMap 10.1® a extensão TauDEM®, disponibilizada gratuitamente pela Utah State University, e que calcula a área de contribuição pelo método D-Infinito. Com o uso da extensão TauDEM® também obteve-se o mapa de direções de fluxo, que indica a direção do escoamento da água.
O mapa de área de contribuição se correlaciona com a rede de drenagem da região de estudo ao capturar o efeito da topografia no fluxo de água da bacia criando uma superfície de acúmulo de fluxo a partir das direções de fluxo. A área de contribuição (a) calculada para cada célula do grid, corresponde ao valor da área correspondente à bacia a montante de cada pixel específico (a/b) (MOORE et al., 1991), isto é, o valor de cada pixel é correspondente à área de contribuição dos fluxos que convergem para o mesmo (a), dividido pelo limite de contorno do
escoamento (b). Trata-se de um parâmetro da equação combinada dos modelos de Estabilidade e Encosta Infinita e Hidrológico de Estado Uniforme.
Figura 9. Direção do fluxo definida pelo método D-Infinito.
Fonte: Rosolem (2014).
3.3.5 Mapas dos Parâmetros Físicos dos Solos
Os mapas dos parâmetros físicos dos solos utilizados para o cálculo da suscetibilidade a deslizamentos foram gerados através do software ArcGis 10.1 ®, após sua inclusão na tabela de atributos do Mapa Pedológico e com posterior transformação através da ferramenta feature to raster.
3.4 APLICAÇÃO DO MODELO SHALSTAB
O modelo SHALSTAB (MONTGOMERY E DIETRICH, 1994), foi o modelo utilizado para avaliar as áreas suscetíveis a deslizamentos translacionais rasos deste estudo. O uso do MDT acoplado à combinação de um modelo de estabilidade de encostas com um modelo hidrológico são a base da metodologia de predição de deslizamentos rasos utilizada pelo SHALSTAB, que utiliza as variáveis topográficas a, b, θ e z, as variáveis pedológicas ρs, ϕ, c e T, além da hidrológica q.
Inicialmente este modelo foi desenvolvido para rodar em ambiente ArcInfo, segundo a linguagem AML. Em seguida, foi possível aplicar a rotina em ambiente ArcView. Recentemente, com o surgimento do software ArcMap, Michel (2013) desenvolveu uma rotina do programa para rodar neste ambiente, sendo então escrito como
álgebra de mapas e incluindo duas variáveis relativas à influência da vegetação (Sw e cr). A Equação(14) apresenta as modificações realizadas na Equação (13), em função de /0. * + =sin1 2' "+ K" ∙ ∙ cos ∙ ") '1 − tan
tan ) + ∙ ∙ cos² ∙ tan ∙L+ "3 (14)
3.4.1 Aprimoramento do modelo SHALSTAB
A aplicação do SHALSTAB possui algumas limitações, como extrapolar os parâmetros geotécnicos e hidrológicos para toda a região de estudo, representando-os por um único valor. Além disso, o fluxo de água subsuperficial é considerado unidirecional e constante.
A rotina proposta por Michel (2013) possibilitou a espacialização dos parâmetros pedológicos e hidrológicos de acordo com os tipos de solo da Sub-bacia do Rio Comprido. O algoritmo original considera variáveis relativas à vegetação que não serão contempladas neste estudo. Já o método D-Infinito (Tarboton, 1997) possibilitou a análise do fluxo de água subsuperficial em infinitas direções, solucionando a limitação hidrológica. Ambas as soluções são utilizadas em ambiente ArcMap®, a primeira através da álgebra de mapas e a segunda através da extensão TauDEM®.
4 RESULTADOS
Os itens seguintes apresentam os resultados para cada passo executado na metodologia proposta, com o objetivo de aplicar o Modelo SHALSTAB para mapear as áreas suscetíveis a deslizamentos rasos na Sub-bacia do Rio Comprido – Joinville/SC. Na sequência apresentam a discussão das principais características identificadas após a realização dos procedimentos necessários para a verificação da distribuição da suscetibilidade a deslizamentos rasos sob diferentes cenários de profundidade de ruptura na Sub-bacia do Rio Comprido, bem como da estabilidade em relação às diferentes taxas de recarga uniforme.
Os produtos cartográficos e análises apresentam-se da seguinte maneira: Parâmetros topográficos; Parâmetros geotécnicos; e Áreas suscetíveis a deslizamentos rasos.
4.1 PARÂMETROS TOPOGRÁFICOS
Os parâmetros topográficos são fundamentais para a previsão de áreas suscetíveis a deslizamentos rasos, devido à sua influência na sensibilidade do Modelo SHALSTAB.
A metodologia aplicada permitiu a obtenção dos parâmetros de declividade a partir do MDT elaborado e corrigido. Para tanto, foram utilizadas curvas de nível de intervalo de 1 m e pontos cotados, obtidas através da restituição aerofotogramétrica de 2007, na escala 1:1.000 e em SIRGAS 2000, disponibilizada pelo SIMGeo.
Como resultado, o MDT em malha retangular disponibilizado tem 1 m de resolução horizontal, numa amplitude altimétrica de 0,53 m a 178 m (Figura 10) e fornece uma boa interpretação do relevo. A correção do MDT se deu com a remoção de picos e preenchimento de sumidouros decorrentes de erros que ocorrem na sua obtenção em ambiente SIG.
Por meio do MDT extraiu-se o Mapa de Declividade em graus, representado na Figura 10 conforme as classes de relevo do Sistema Brasileiro de Classificação dos Solos da Embrapa (2006).
A partir do Mapa de Declividades obteve-se as direções de fluxo, através do Método D-Infinito aplicado com o uso do software TauDEM, que serve de base para obtenção do Mapa da Área de Contribuição da Sub-bacia, que é o parâmetro hidrológico na análise de suscetibilidade da Sub-bacia, representando a rede de drenagem aplicada para a modelagem no SHALSTAB (Figura 10).
4.1.1 Análise dos parâmetros topográficos
Através dos seus estudos Dietrich e Montgomery (1994) mostraram que quanto mais declivosa é uma encosta, menos chuva é necessária para causar instabilidade, tornando as encostas íngremes mais propensas à ocorrência de deslizamentos. Por outro lado, altas declividades aumentam a energia potencial dos fluxos d’água, gerando menor acúmulo e reduzindo a altura da coluna d’água no interior do solo.
As vertentes da Sub-bacia do Rio Comprido são majoritariamente planas (52,87 %). A declividade expressa graficamente a característica de movimentação do relevo indo de 0 a 52,4 ° e crescendo no sentido litoral-Morro do Boa Vista. Como já esperado os maiores valores encontram-se na região de morros e os menores nos limites próximos ao litoral. As vertentes com mais de 45% representam aproximadamente 6,41 % da área da bacia (Tabela 8).
Tabela 8. Declividades da Sub-bacia do Rio Comprido e suas respectivas contribuições em área
Declividade (%) Descrição Área (km²) Área (%)
0 – 3 Plano 1,35 52,87 3 – 8 Suave ondulado 0,44 17,34 8 – 20 Ondulado 0,26 10,09 20 - 45 Fortemente ondulado 0,34 13,30 45 – 75 Montanhoso 0,15 5,79 > 75 Escarpado 0,02 0,62 TOTAL 2,56 100
Como a declividade é um dos parâmetros mais importantes para deflagração dos deslizamentos rasos, para a Sub-bacia do Rio Comprido, a incidência deste tipo de fenômeno pode ser atribuída em grande parte à condição de seu relevo nas regiões mais altas.
A área de contribuição deve levar em consideração a topografia no fluxo d’água e ter uma forte correlação com a rede de drenagem da bacia. Neste estudo, a área de contribuição apresenta o comportamento esperado delineando principalmente as áreas das bacias de drenagem para os limites analisados, com exceção da parte retificada do Rio Comprido. As maiores taxas de contribuição ficam a oeste da Sub-bacia devido à presença do divisor de águas representado pelo Morro do Boa Vista. Vale ressaltar que devido à urbanização a drenagem na área mais plana pode ser diferente do modelado, mas isso não implica na análise da estabilidade da encosta.
