UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo
Marco Antonio Jacomazzi
Avaliação de cenários para elaboração de plano
diretor de macrodrenagem urbana
Estudo de caso: bacia do ribeirão das Anhumas em
Campinas SP
CAMPINAS 2015
Marco Antonio Jacomazzi
Avaliação de cenários para elaboração de plano
diretor de macrodrenagem urbana
Estudo de caso: bacia do ribeirão das Anhumas em
Campinas SP
Tese de Doutorado apresentada a Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Unicamp, para obtenção do título de Doutor em Engenharia Civil, na área de Recursos Hídricos, Energéticos e Ambientais.
Orientador(a): Prof. Dr. Antonio Carlos Zuffo
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELO ALUNO MARCO ANTONIO JACOMAZZI E ORIENTADO(A) PELO PROF. DR. ANTONIO CARLOS ZUFFO.
CAMPINAS 2015
ASSINATURA DO ORIENTADOR(A)
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E
URBANISMO
Avaliação de cenários para elaboração de plano diretor de
macrodrenagem urbana
Estudo de caso: bacia do ribeirão das Anhumas em
Campinas SP
Marco Antonio Jacomazzi
Tese de Doutorado aprovada pela Banca Examinadora, constituída por:
Prof. Dr. Antonio Carlos Zuffo
Presidente e Orientador/ FEC - UNICAMP
Prof. Dr. José Teixeira Filho FEAGRI - UNICAMP
Prof. Dr. Ademir Paceli Barbassa UFSCAR
Prof. Dra. Iria Fernandes Vendrame ITA / Divisão de Engenharia civil
Prof. Dr. Rafael Mingoti Embrapa Gestão Territorial
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
DEDICATÓRIA
A Deus, OFEREÇO.
Para minha esposa Francine, meus pais Josué e Rosmari e a minhas irmãs Ana e Carla,
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador, Prof. Dr. Antonio Carlos Zuffo, que se mostrou mais que um amigo durante a realização deste trabalho, pela oportunidade proporcionada e pela confiança em mim depositada; e, acima de tudo, pelo exemplo de correção e caráter.
Ao Programa e aos professores de Pós-Graduação em Engenharia Civil da FEC/UNICAMP e, especificamente, ao Departamento de Recursos Hídricos.
Ao CNPq, pela bolsa recebida ao longo dos meses de trabalho.
Ao Centro de Tecnologia Hidráulica – CTH, ao Centro de Pesquisas Meteorológicas e Climáticas Aplicadas a Agricultura – CEPAGRI e ao Instituto Agronômica de Campinas – IAC, pela disponibilização e atualização das séries históricas pluviométricas.
Ao Instituto Geográfico e Cartográfico do Estado de São Paulo – IGC, pela doação dos arquivos vetorizados dos mapeamentos topográficos do Plano Cartográfico do Estado de São Paulo, utilizados neste trabalho.
A FINEP, pelo apoio financeiro que viabilizou elaboração do cadastro topográfico de obras hidráulicas na bacia do Ribeirão das Anhumas.
Ao setor de Geoprocessamento e Sensoriamento Remoto do IAC, que disponibilizou os arquivos tipo shapefile e mapas temáticos do Projeto Anhumas.
Ao apoio incondicional dos amigos: Dr. Pedro Augusto Pinheiro Fantinatti, André Luiz Marretto Fusatto, Hélio Monteiro, Leandro Balistiere, Luciana Montebello de Oliveira, prof. Dr. Sérgio Duarte Nascimento e Wagner Wolff.
RESUMO
A intensificação das vazões máximas associadas à ocorrência mais frequente de eventos extremos, são consequências diretas da urbanização mal planejada das bacias hidrográficas; a expansão da infraestrutura urbana provoca intensa impermeabilização da superfície, ocupando zonas de risco a enchentes quando não se adota medidas de controle do previsível aumento do escoamento superficial. A bacia urbanizada do ribeirão Anhumas apresenta seu sistema de drenagem natural parcialmente antropisado, com frequentes problemas na macrodrenagem. O escoamento superficial na bacia foi simulado por modelagem hidrológica de cenários distintos e prováveis de ocorrerem considerando: (i) a ocupação futura nessa bacia e, (ii) as prováveis alterações nas chuvas intensas de Campinas. Para previsão dos hidrogramas de enchente foi utilizado o software HEC-HMS; e, a propagação das ondas de cheia foi simulada pelo software HEC-RAS. A análise das séries das precipitações máximas anuais até 2013 constatou tendência crescente estatisticamente significativa pelos testes de Mann Kendall e Pettitt, excetuando o posto pluviométrico do IAC. Pelas estimativas constatou-se que (i) desconsiderando a correção da estacionariedade, a equação de Campinas subestimou sistematicamente as precipitações de projeto em pelo menos em 10%; e que, (ii) considerando a correção da estacionariedade das séries D4-044 e D4-047, as estimativas de precipitação máxima seriam superiores aos valores calculados pela equação de Campinas, em 21 e 28%, para os Tr’s de 100 e 10 anos, respectivamente. Pelas simulações do cenário atual de uso e ocupação da bacia, verificou-se que os trechos canalizados do Alto Anhumas, até a confluência do canal do Saneamento com o córrego Proença, são os mais críticos, apresentando diversos pontos de inundação; e que a modelação, considerando alteração do padrão do hietograma de projeto simulando o deslocamento da nuvem no sentido de montante para jusante da bacia, proporcionou hidrogramas de enchentes antecipados com vazões significativamente mais altas na porção montante da bacia, com vazões máximas específicas superiores a 20 m3.s-1.km-2. Na avalição dos cenários propostos, observou–se para os cenários conservacionistas C1, C2 e C4, redução das vazões de projeto de 7,61, 8,61 e 8,63% para o Tr de 10 anos; já para o cenário de máxima urbanização (C3), haveria incrementos nas vazões entre 8,34 e 9,58%. Pela modelação considerando a intensificação das chuvas de projeto, observaram-se incrementos significativos nas vazões de projeto de 28,34 e 29,22% para o cenário atual de uso e ocupação; entre 18,08 e 22,34%, para os cenários conservacionistas; e, para o de máxima urbanização, são esperados
incrementos de até 40% nas vazões máximas em relação ao atual sem tendência de intensificação.
Palavras-chave: Plano diretor de macrodrenagem, modelos hidrológicos, planejamento ambiental, mudanças climáticas.
ABSTRACT
The intensification of peak flows associated with the more frequent occurrence of extreme events, are direct consequences of poorly planned urbanization of watersheds; the expansion of urban infrastructure causes intense waterproofing the surface, occupying risk areas to flood when it adopts no measures to control the expected increase in runoff. The urban basin of the river Anhumas presents its natural drainage system partially anthropic with common problem’s macrodrainage. The runoff in the watershed was simulated by hydrologic modeling different scenarios and likely to occur considering: (i) the future occupation in the basin, and (ii) the likely changes in the rainfall of Campinas. To forecast the flood hydrograph was used HEC-HMS software; and the spread of the full wave was simulated by software HEC-RAS. The analysis of the series of maximum annual rainfall by 2013 found no statistically significant upward trend by test Mann Kendall and Pettitt, except the IAC rainfall station. By some estimates it was found that (i) disregarding the correction of stationarity, the equation of Campinas systematically underestimated the project rainfall in at least 10%; and, (ii) considering the correction of the stationarity of the series D4-044 and D4-047, the maximum rainfall estimates would be higher than the values calculated by the equation of Campinas, 21 and 28% to the Tr's 100 and 10 years respectively. For simulations of the current scenario of use and occupation of the basin, it was found that the sections of the High Anhumas, to the confluence of Sanitation channel with stream Proenca, are the most critical, with many points of flooding; and modeling considering changing the default project simulating the cloud displacement hietograma in the amount of downstream direction of the basin, provided hydrograph of anticipated flooding with significantly higher flow rates in the portion upstream of the basin, with specific peak flows exceeding 20 m3.s-1.km-2. In the proposed scenario was observed for conservationist scenarios C1, C2 and C4, reduced flow rates of 7,61, 8,61 and 8,63% for the Tr 10 years; already to the maximum urbanization scenario (C3), there would be increases in flow rates between 8,34 and 9,58%. By modeling considering the intensification of the design rainfall, there were significant increases in 28,34 design flows and 29,22% for the current scenario of use and occupation; between 18,08 and 22,34% for conservation scenarios; and, to the maximum urbanization are expected increments of up to 40% at maximum flow rates from the current without intensifying trend.
Key-words: drainage plan, hydrologic models, sustainability, environmental planning, climate change.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 2.1. Níveis máximo, médio e mínimo do Rio Paraguai na estação de Landário ... 33
Figura 2.2. Processos de formação das inundações em áreas urbanas. ... 40
Figura 2.3. Representação esquemática de uma seção transversal da planície fluvial. ... 42
Figura 3. 1. Localização da bacia do Ribeirão das Anhumas, no contexto das bacias do PCJ. 52 Figura 3. 2. Crescimento populacional de Campinas desde 1950. ... 54
Figura 3. 3. Bacias do Ribeirão das Anhumas. ... 57
Figura 3. 4. Trechos dos afluentes do Rib. das Anhumas na bacia do Alto Anhumas. ... 60
Figura 3. 5. Trechos dos afluentes do Rib.das Anhumas para a bacia do Alto Anhumas. ... 61
Figura 3. 6. Trechos dos afluentes do Rib das. Anhumas para a bacia do Médio Anhumas. .. ... 63
Figura 3. 7. Trechos dos afluentes do Rib.das Anhumas para a bacia do Baixo Anhumas. .. ... 66
Figura 3. 8. Trechos do Ribeirão Pedras e afluentes. ... 68
Figura 3. 9. Pontos críticos de inundação na bacia do Ribeirão das Anhumas... 71
Figura 3. 10. Extrato do balanço hídrico normal para Campinas. ... 73
Figura 3. 11. Mapa temático – Hidrografia, hipsografia e sub-bacias. ... 76
Figura 3. 12. Mapa do uso e ocupação na bacia do ribeirão Anhumas... 78
Figura 4.1. Localização dos levantamentos, in loco, das seções batimétricas cadastradas na bacia do Ribeirão das Anhumas. ... 82
Figura 4.2. Fluxograma da elaboração da série histórica de precipitação P1d, para as bacias do Ribeirão das Anhumas. ... 89
Figura 4.3. Fluxograma da estimativa da precipitação máxima provável Pd,TR, à partir da série histórica pluviométrica das bacias do Ribeirão das Anhumas. ... 90
Figura 4.4. Localização das estações pluviométricas e delimitação dos polígonos de Thiessen na Bacia do Ribeirão das Anhumas. ... 97
Figura 4.6. Hietogramas padrão das chuvas de 8 horas para a Bacia do Anhumas. ... 99
Figura 4.7. Distribuição das envoltórias da distribuição temporal da precipitação nas bacias do Ribeirão das Anhumas, utilizada nesse estudo. ... 101
Figura 4.8. Mapa de risco médio e muito alto de inundação e de erosão na bacia do Ribeirão das Anhumas... 104
Figura 4.9. Uso e ocupação na bacia do ribeirão Anhumas para o Cenário Atual(2011) ... 109
Figura 4.10. Uso e ocupação na bacia do ribeirão Anhumas para o Cenário 1 ou “Mínimo Conservador” ... 110
Figura 4.11. Uso e ocupação na bacia do ribeirão Anhumas para o Cenário 2 ou “Máximo Conservador” ... 111
Figura 4.12. Uso e ocupação na bacia do ribeirão Anhumas para o Cenário 3 ou “Urbanização Tendencioso” ... 112
Figura 4.13. Uso e ocupação na bacia do ribeirão Anhumas para o Cenário 4 ou “Urbanzização Controlada” ... 113
Figura 4.14. Topologia do modelo hidrológico desenvolvido para a bacia do Anhumas... 115
Figura 4.15. Hidrograma unitário curvilíneo (HCU) e triangular (HTU) do NRSC ... 117
Figura 4.16. Regressão linear da relação entre “CN” e a área impermeável (%Imp) ... 120
Figura 4.17. Coeficiente de descarga em orifícios (Cd) em função da relação H/D. ... 127
Figura 4.18. Fluxograma para determinação da relação vazão Outflow (O) versus altura de sobre elevação (H) em bueiros. ... 129
Figura 4.19. Sistema hidrográfico do Ribeirão das Anhumas elaborado para a modelagem hidrológica. ... 134
Figura 4. 20. Esquema da localização das seções transversais para modelação hidráulica em interferências por pontes e bueiros. ... 135
Figura.5.1. Variação (em mm) da média amostral e do desvio padrão para a Máxima Precipitação diária Pluvial entre os períodos: (i) 1942 à 1978 e (ii) Série completa atualizada até 2013. ... 141
Figura.5. 2. Variação percentual (%) da média amostral e do desvio padrão para a máxima precipitação diária pluvial entre os períodos: (i) 1942 à 1978 e (ii) Série completa atualizada até 2013. ... 141 Figura.5. 3. Série histórica da máxima precipitação anual (P1d) para as estações
pluviométricas IAC e D4-044. ... 144 Figura.5. 4. Série histórica da máxima precipitação anual (P1d) para as estações
pluviométricas D4-046 e D4-047. ... 145 Figura.5. 5. Testes estatísticos de tendência de Mann-Kendall e Pettitt para a estação
pluviométrica IAC. ... 150 Figura.5. 6. Testes estatísticos de tendência de Mann-Kendall e Pettitt para a estação
pluviométrica D4-044. ... 151 Figura.5. 7. Testes estatísticos de tendência de Mann-Kendall e Pettitt para a estação
pluviométrica D4-046. ... 152 Figura.5. 8. Testes estatísticos de tendência de Mann-Kendall e Pettitt para a estação
pluviométrica D4-047. ... 153 Figura.5. 9. Correção da tendiocidade das séries pluviométricas D4-044 e D4-047 por meio
da metodologia apresentada em Mine et al. (2009). ... 155 Figura.5.10. Média da diferença (%) da máxima precipitação anual provável (P1d) entre as
estações pluviométricas da bacia do Ribeirão Anhumas e a equação de chuva de Campinas. ... 158 Figura.5.11. Histogramas das séries pluviométricas IAC e D4-044 em diferentes períodos. ....
... 159 Figura.5.12. Histogramas das séries pluviométricas D4-044 e D4-047 em diferentes períodos. ... 160 Figura.5. 13. Vazões máximas de projeto em função da área de drenagem, simuladas para
diferentes durações de chuva e período de retorno. ... 163 Figura.5.14. Vazão máxima em função da área de drenagem para simulações com diferentes
durações do evento de chuva, considerando hietogramas das envoltórias médias e Tr=25 anos. ... 164
Figura.5.15. Vazão máxima em função da área de contribuição para simulações com duas durações do evento chuva, considerando diferentes simulações da movimentação da chuva e Tr=25 anos. ... 165 Figura.5.16. Vazão específica em função da área de drenagem em diferentes simulações para
duas durações do evento de chuva. ... 166 Figura.5.17. Vazão máxima específica e índice CN em função da área de drenagem, em
diferentes simulações para, duas durações do evento de chuva. ... 167 Figura.5.18. Volume do hidrograma de escoamento superficial (x1.000m3,) em função da área
de drenagem, em diferentes simulações para, três durações do evento de chuva. .. ... 168 Figura.5.19. Hidrogramas de escoamento superficial em diferentes seções da bacia. ... 171 Figura.5.20. Vazão máxima nos subsequentes nó, considerando a simulação das chuvas
intensas T1 e cenário de uso e ocupação CA. ... 172 Figura.5.21. Perfil do nível de água no Ribeirão das Anhumas para o córrego Proença até o nó
B.7, considerando a simulação das chuvas intensas T1 e cenário de uso e ocupação CA. ... 173 Figura.5.22. Perfil do nível de água no Ribeirão das Anhumas à partir do nó B.7, considerando
a simulação das chuvas intensas T1 e cenário de uso e ocupação CA. ... 174 Figura.5.23. Perfil do nível de água no Ribeirão das Anhumas para o córrego Proença até o nó
B.7, considerando a simulação das chuvas intensas T1, padrão de distribuição temporal único por envoltória média e cenário de uso e ocupação CA. ... 177 Figura.5.24. Perfil do nível de água no Ribeirão das Anhumas à partir do nó B.7, considerando
a simulação das chuvas intensas T1, padrão de distribuição temporal único por envoltória média e cenário de uso e ocupação CA. ... 178 Figura.5.25. Hidrogramas de escoamento superficial de entrada e de saída, na seção B.7
considerando simulações de uso e ocupação CA. ... 179 Figura.5.26. Distribuição porcentual do uso e ocupação na bacia do Ribeirão das Anhumas,
segundo os cenários propostos. ... 180 Figura.5.27. Variação (%) da vazão máxima de projeto em relação a do cenário atual (CA),
Figura.5.28. Variação (%) da vazão máxima de projeto em relação a do cenário atual (CA)
para as proposições de uso e ocupação C3 no rib. das Anhumas. ... 185
Figura.5.29. Hidrogramas simulados do escoamento superficial em diferentes seções da bacia. 186 Figura.5.30. Geoambientes de inundação na bacia do Ribeirão das Anhumas para o cenário atual do uso e ocupação (CA), sem intensificação das chuvas (T1)... 188
Figura.5.31. Geoambientes de inundação na bacia do Ribeirão das Anhumas para o cenário atual do uso e ocupação (CA), considerando a intensificação das chuvas (T2) e padrão de distribuição temporal da chuva apenas por envoltória média. ... 189
Figura.5.32. Geoambientes de inundação na bacia do Ribeirão das Anhumas para o cenário proposto, mínimo conservacionista (C1), sem intensificação das chuvas (T1). 190 Figura.5.33. Geoambientes de inundação na bacia do Ribeirão das Anhumas para o cenário proposto, máximo conservacionista (C2), sem intensificação das chuvas (T1). ... ... 191
Figura.5.34. Geoambientes de inundação na bacia do Ribeirão das Anhumas para o cenário proposto de máxima urbanização (C3), sem intensificação das chuvas (T1). ... 192
Figura.5.35. Geoambientes de inundação na bacia do Ribeirão das Anhumas para o cenário proposto de urbanização controlada (C4), sem intensificação das chuvas (T1). ... ... 193
Figura.5.36. Vazão máxima em função da área de drenagem considerando a simulação das chuvas intensas T1 e T2, para o cenário de uso e ocupação CA. ... 199
Figura.5.37. Vazão máxima em função da área de drenagem considerando a simulação das chuvas intensas T1 e T2, para o cenário de uso e ocupação C4. ... 200
Figura.5.38. Comparação da vazão de projeto, em função da área de drenagem, para as simulações considerando a intensificação das chuvas e o cenário atual do uso e ocupação sem intensificação da precipitação. ... 201
Figura X.1. Perfil longitudinal do comprimento axial do Ribeirão das Anhumas. ... 217
Figura X.2. Perfil longitudinal do comprimento axial do Ribeirão das Pedras. ... 218
Figura X.3. Perfil longitudinal do comprimento axial do canal Saneamento. ... 219
Figura X.5. Perfil longitudinal do comprimento axial do córrego São Quirino. ... 221 Figura X.6. Curvas de massa segundo modelo de envoltórias de Piracicaba (MAGNI E
MERO, 1982) e observadas pelo posto pluviométrico do CEPAGRI. ... 240 Figura X.7. Curvas de massa das chuvas intensas para 6 horas segundo modelo de envoltórias
de Piracicaba (MAGNI E MERO, 1982) e elaboradas por VICENTINI (2000) para o 1°Q e 3°Q . ... 241 Figura X.8. Curvas de massa das chuvas intensas para 8 horas segundo modelo de envoltórias
de Piracicaba (MAGNI E MERO, 1982) e elaboradas por VICENTINI (2000) para o 3°Q e 4°Q. ... 242 Figura X.9. Relação funcional entre o volume de espera ou amortecido na estrutura (VLE,
103.m3), no eixo horizontal, e a vazão de saída pela estrutura hidráulica (O, m3.s-1) no eixo vertical. ... 254 Figura X.10. Relação funcional entre o volume de espera ou amortecido na estrutura (VLE,
103.m3), no eixo horizontal, e a vazão de saída pela estrutura hidráulica (O, m3.s-1) no eixo vertical. ... 255 Figura X.11. Relação funcional entre o volume de espera ou amortecido na estrutura (VLE,
103.m3), no eixo horizontal, e a vazão de saída pela estrutura hidráulica (O, m3.s-1) no eixo vertical. ... 256 Figura X.12. Relação funcional entre o volume de espera ou amortecido na estrutura (VLE,
103.m3), no eixo horizontal, e a vazão de saída pela estrutura hidráulica (O, m3.s-1) no eixo vertical. ... 257
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1. Bacia do Ribeirão das Anhumas e suas sub bacias. ... 56 Tabela 3.2. Balanço hídrico normal por Thornthwaite & Matter (1955), para Campinas. .... 72 Tabela 3.3. Dados climáticos da estação meteorológica da CEPAGRI na Faculdade de
Engenharia Agrícola da UNICAMP. ... 74 Tabela 3.4. Caracterização do relevo, geomorfologia e geologia da bacia hidrográfico do
Ribeirão das Anhumas. ... 75 Tabela 4.1. Folhas das restituições aerofotogramétricas do IGC, escala 1:10.000 ... 81 Tabela 4.2. Caracterização das séries pluviométricas utilizadas no estudo. ... 91 Tabela 4.3. Descrição dos critérios do modelo MCDA (Multicriteria Decision Analysis) na
bacia do Anhumas. ... 102 Tabela 4.4. Classes de uso e ocupação futura para a bacia do Anhumas. ... 106 Tabela 4.5. Número da curva (CN) para áreas urbanas (Ia = 0,2S, condição de umidade
antecedente e condição hidrológica superficial média). ... 120 Tabela 4.6. Número da curva de (CN) para os usos na bacia do Anhumas (Ia = 0,2S, umidade
antecedente e condição hidrológica superficial média). ... 121 Tabela 4.7. Área de drenagem e valores do coeficiente de escoamento CN das bacias do
Ribeirão das Anhumas para os cenários de uso e ocupação. ... 123 Tabela 4.8. Valores para os coeficientes de perda de carga localizada devido à expansão ou à
contração do escoamento por transições e interferências. ... 136 Tabela 4.9. Denominação das simulações hidrológicas ... 138 Tabela 5.1. Estimativa da média, desvio padrão e coeficientes de posição e de escala da função
de distribuição de probabilidade Gumbel, para a máxima precipitação pluviométrica anual (P1d) nas estações pluviométricas na bacia do ribeirão Anhumas. ... 140 Tabela 5.2. Testes de tendência de MK e Pettitt para as estações pluviométricas da bacia do
Tabela 5.3. Comparação da máxima precipitação anual provável (P1d,Tr) entre as estações pluviométricas e a equação de chuva de Campinas, durante período de 1942 à 1978. ... 156 Tabela 5.4. Comparação da máxima precipitação anual provável (P1d,Tr) entre as estações
pluviométricas da bacia do Ribeirão Anhumas e a equação de chuva de Campinas, para a série total até 2013, sem remoção da tendenciosidade. ... 156 Tabela 5.5. Comparação da máxima precipitação anual provável (P1d,Tr) entre as estações
pluviométricas da bacia do Ribeirão Anhumas e a equação de chuva de Campinas, para a série total até 2013,com remoção da tendenciosidade. ... 157 Tabela 5.6. Valores do índice CN médio ponderado para os cenários atual e propostos de uso
e ocupação para a Bacia do Ribeirão das Anhumas. ... 181 Tabela 5.7. Variação média (%) da vazão de projeto nas bacias do Anhumas, em relação ao
cenário atual do uso e ocupação da superfície (CA). ... 182 Tabela 5.8. Variação média (%) da área dos geoambientes de inundação em relação ao cenário
atual do uso e ocupação da superfície (CA). ... 187 Tabela 5.9. Variação média (%) da vazão de projeto nas bacias do Anhumas pelas simulações
de intensificação das chuvas de projeto (T2) nos cenários de uso e ocupação. 197 Tabela 5.10. Variação média (%) da área dos geoambientes de inundação nas bacias do
Anhumas pelas simulações de intensificação das chuvas de projeto (T2) nos cenários de uso e ocupação. ... 202 Tabela X.1. Informações do cadastro topográfico das obras de bueiros e pontes na bacia do
Ribeirão das Anhumas. ... 223 Tabela X.2. Comparação entre as estimativas do tempo de concentração pelo modelo de
Kirpich e pelo método cinemático. ... 229 Tabela X.3. Determinação das vazões de referência para estimativa do tempo de concentração
(tc) para o Ribeirão das Anhumas. ... 230 Tabela X.4. Determinação do tempo de percurso (t) e tempo de concentração (tc) para o
Ribeirão das Anhumas, considerando diferentes simulações do raio hidráulico (Rh) médio do escoamento na calha principal... 231
Tabela X.5. Determinação das vazões de referência para estimativa do tempo de concentração (tc) para o Ribeirão Pedras. ... 232 Tabela X.6. Determinação do tempo de percurso (t) e tempo de concentração (tc) para o
Ribeirão Pedras, considerando diferentes simulações do raio hidráulico (Rh) médio do escoamento na calha principal. ... 233 Tabela X.7. Determinação das vazões de referência para estimativa do tempo de concentração
(tc) para o canal “Saneamento”. ... 234 Tabela X.8. Determinação do tempo de percurso (t) e tempo de concentração (tc) para o canal
“Saneamento”, considerando diferentes simulações do raio hidráulico (Rh) médio do escoamento na calha principal. ... 234 Tabela X.9. Determinação das vazões de referência para estimativa do tempo de concentração
(tc) para o córrego Mato Dentro. ... 235 Tabela X.10. Determinação do tempo de percurso (t) e tempo de concentração (tc) para o
córrego Mato Dentro, considerando diferentes simulações do raio hidráulico (Rh) médio do escoamento na calha principal. ... 235 Tabela X.11. Determinação das vazões de referência para estimativa do tempo de concentração
(tc) para o córrego São Quirino. ... 236 Tabela X.12. Determinação do tempo de percurso (t) e tempo de concentração (tc) para o
córrego São Quirino, considerando diferentes simulações do raio hidráulico (Rh) médio do escoamento na calha principal. ... 236 Tabela X.13. Tempo de concentração (tc) e do Lag-Time (L) para as bacias do Anhumas
considerando diferentes simulações de raio hidráulico (Rh). ... 237 Tabela X.14. Valores históricos das máximas precipitações anuais para as estações
pluviométricas no Ribeirão Anhumas. ... 238 Tabela X.15. Simbologia e descrição das unidades mapeadas na bacia do Anhumas. ... 243 Tabela X.16. Informações do elemento hidrológico “reservoir” para entrada na modelação
hidrológica. ... 253 Tabela X.17. Informações do elemento hidrológico “reach” para entrada na modelação
Tabela X.18. Parâmetros da função de distribuição de probabilidade Gumbel e máxima precipitação pluviométrica Provável para as sub bacias do Ribeirão das Anhumas. ... 261 Tabela X.19. Estimativa da Precipitação Máxima Provável para as sub bacias do Ribeirão das
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍGLAS . Parâmetro de posição da equação de Gumbel.
. Níveis de significância dos testes de hipóteses. . Parâmetro de Escala da Equação de Gumbel. ∆. Coeficiente angular de Sen.
∆He. Perdas de energia totais no trecho do canal analisado (m). ∆Hb. Perda de carga na entrada do bueiro (mca).
x. Comprimento do trecho de canal (m). σ. Desvio padrão.
a. Altura do vertedor de soleira delgada (m).
ALT. Alteração do armazenamento da água no solo (mm). APP. Área de preservação permanente.
ARM. Armazenamento de água no solo (mm).
C. Coeficiente de perda de carga localizada devido expansão ou contração do escoamento. CA. Capacidade de armazenamento de água
Cd. Coeficiente de descarga do dispositivo hidráulico. CN. Curve Number (Índice do número da curva).
CEPAGRI. Centro de Pesquisas Meteorológicas e Climáticas Aplicadas a Agricultura.
CNPASTO.Valor do índice CN para área permeável.
CNURB. Valor do índice CN do NRCS para o uso urbano.
CONAMA. Conselho Nacional do Meio Ambiente.
C0, C1 e C2. Coeficientes do modelo de Muskingum-Cunge.
c0. Celeridade cinemática da onda (m.s-1).
d. Duração do evento hidrológico modelado (minutos). D. Altura ou diâmetro do bueiro (m).
DAEE. Departamento de Águas e Energia Elétrica. DD. Densidade de drenagem (km.km-2).
DEF. Deficiência (mm).
Dist. Distância máxima entre as probabilidades do modelo empírico e o teórico. Dist_tab. Distância máxima tabelada para os níveis de significância de 0,01 e 0,05. DXF. Drawing exchange format.
E(tn). Esperança do teste de estatístico Mann Kendall. EMBRAPA. Empresa Brasileiro de Pesquisa Agropecuária. ETE. Estação de tratamento de esgoto.
ETP. Evapotranspiração potencial (mm). ETR. Evapotranspiração real (mm). EXC. Excedente da água do solo (mm).
f. Fator de transformação da precipitação P24 em de menor duração (Pd).
FD. Função distribuição ou acumulativa de probabilidade. fdp. Função densidade de probabilidade.
FEAGRI. Faculdade de Engenharia Agrícola da Unicamp.
FEC. Faculdade de Engenharia Civil Arquitetura e Urbanismo da Unicamp. g. Aceleração da gravidade (m.s-2).
GHS. Grupo hidrológico do solo.
H. Carga hidráulica na soleira ou altura de sobre elevação do nível de água (m). HU. Hidrograma unitário.
HUC. Hidrograma unitário curvilíneo. HUT. Hidrograma unitário triangular.
IDF. Relação intensidade-duração-frequência. I. Vazão de entrada (inflow) do hidrograma (m3.s-1).
IAC. Instituto Agronômico de Campinas.
IGC. Instituto Geográfico e Cartográfico do Estado de São Paulo.
IPCC. Intergovernmental Panel on Climate Change (Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas)
H0. Hipótese nula dos testes estatístico. Ha. Hipótese alternativa dos testes estatístico. Kc. Índice de compacidade da bacia.
k. Somatória dos coeficientes de perda de energia ao longo do bueiro. kcrit. Valor crítico do teste estatístico de Pettitt.
ke. Coeficiente de perdas localizada de energia na entrada da interferência. kl. Coeficiente de perdas longo do bueiro.
Kmc. Tempo médio de trânsito da onda no trecho de canal x (seg). ks. Coeficiente de perdas localizada de energia na saída da interferência. k(t). Estatística do teste não paramétrico de Pettitt.
L. tempo Lag do hidrograma unitário (minutos). Lb. Extensão do bueiro (m).
Lt. Comprimento do talvegue (metros).
Lv. Largura efetiva da soleira do vertedor (m);
LADSEA. Laboratório de Apoio à Decisão orientado à Sustentabilidade Empresarial e Ambiental.
MC. Munkingum-Cunge.
MCDA. Multicriteria Decision Analysis. (Método de análise multicritério de apoio à decisão) mi. Número de observações precedente que satisfaça a condição Yj < Yi, sendo j < i.
MPU. Movimento permanente uniforme.
MK. Teste estatístico não paramétrico de Mann-Kendall. n. Coeficiente de rugosidade de Manning.
NA. Nível de água (m).
NEG-AC. Negativo acumulado (mm). NHD. Número de horas do dia (horas).
NRCS. Natural resources conservation service.
ns. Coeficiente de rugosidade de Manning da superfície com escoamento laminar.
N0. Número de observações Yi maiores que zero e menores ou iguais a observação Yi.
p. Nível de significância desejado.
PCJ. Comitê de bacias hidrográficas dos Rios Piracicaba, Capivari e Jundiaí. PDM. Plano diretor de macrodrenagem.
PDC. Plano diretor de Campinas.
PDMA. Plano diretor de macrodrenagem do ribeirão das Anhumas. Pd,Tr. Precipitações máximas prováveis de duração d (mm).
Pe. Precipitação efetiva (mm).
PLGU-BG. Plano local de gestão urbana de Barão Geraldo. PT. Teste estatístico não paramétrico de Pettitt.
P0. Precipitação incidente acumulada (mm).
P1d. Máxima precipitação diária no ano (mm).
P24. Precipitação com duração de 24 horas (mm).
O. Vazão de saída (outflow) do hidrograma (m3.s-1). OC. Onda cinemática.
Qg. Vazão para escoamento livre para seção hidráulica de 95% de D. qP. Vazão de pico adimensional do hidrograma unitário (m3.s-1.cm-1).
Qp. Vazão de projeto ou de pico (m3.s-1).
Qr. Vazão de referência (m3.s-1).
Rh. Raio hidráulico (m).
Rh0. Raio hidráulico para seção hidráulica plena (m).
RMC. Região metropolitana de Campinas. S. Retenção potencial de água no solo (mm). SAD. South American Datum.
Seq. Declividade equivalente (m.m-1). Sf. Declividade da linha de energia (m.m-1). Sh. Seção hidráulica do canal (m2).
Sh0. Seção hidráulica para seção plena (m2).
Sh*. Seção hidráulica para altura de escoamento de 95% de D (m2). Sz. Declividade geométrica (m.m-1).
SIGRH. Sistema Nacional para o Gerenciamento de Recursos Hídricos no Estado de São Paulo. Sy. Frequência relativa pela probabilidade empírica.
tb. Tempo de base do hidrograma unitário (minutos). tc. Tempo de concentração (minutos).
tof. Tempo do escoamento superficial laminar “overland flow” (minutos).
tsc. Tempo do escoamento em canais rasos “shallow concentrated flow” (minutos). tcf. Tempo do escoamento em canais naturais e artificiais “channel flow” (minutos). tn. Valor do teste de MK, que é a soma do número de termos mi.
tp. Tempo de pico do hidrograma (minutos). Tr. Tempo de Retorno.
Tref. Largura do tirante da superfície molhada do canal correspondente a vazão Qr (m). u(tn). Estatística do teste não paramétrico de Mann-Kendall.
U(t,N). Estatística do teste não paramétrico de Pettitt. UGRHI. Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos UTM. Universal Transversa de Mercator.
Var(tn). Variança do teste de estatístico Mann-Kendall.
vcf. Velocidade do escoamento em canais naturais e/ou modificados (m.s-1). vsf. Velocidade do escoamento em canais rasos (m.s-1).
VLE/Δt. Volume de espera ou amortecido dividido pelo intervalo de tempo (t). X. Ponderador espacial da discretização numérica.
Xr. Fator de recessão do hidrograma unitário. Yi. Variável aleatória.
Ym. Média amostral da variável aleatória Yi.
z. Valor da variável reduzida da distribuição normal.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 29 1.1 Objetivos ... 31 2 revisão de literatura ... 32 2.1 Impactos das mudanças climáticas nos projetos de obras hidráulicas ... 32 2.2 Inundações e alternativas para controle da drenagem urbana ... 38 2.2.1 ENCHENTES URBANAS E INUNDAÇÕES ... 39 2.2.2 PLANOS DIRETORES DE MACRODRENAGEM ... 47 2.3 Modelagem hidrológica ... 49 3 caracterização da bacia do ribeirão das anhumas ... 51 3.1 Localização ... 51 3.2 Crescimento e ocupação urbana de Campinas ... 53 3.3 Principais afluentes e descrição das bacias ... 55 3.3.1 ALTO ANHUMAS ... 58 3.3.2 MÉDIO ANHUMAS ... 62 3.3.3 BAIXO ANHUMAS ... 64 3.3.4 RIBEIRÃO DAS PEDRAS ... 67 3.4 Pontos críticos de inundação ... 68 3.5 Clima ... 72 3.6 Relevo, geologia e geomorfologia da bacia do Ribeirão das Anhumas ... 74 3.7 Uso e ocupação atual da superfície das bacias do Ribeirão das Anhumas ... 77 4 METODOLOGIA ... 79 4.1 Base Cartográfica ... 80 4.2 Cadastro topográfico do sistema de drenagem existente ... 81 4.3 Discretização espacial da bacia do Ribeirão das Anhumas ... 83 4.4 Tempo de retorno ... 83 4.5 Determinação do tempo de concentração (tc), “lag-time” (L) e da duração da chuva de projeto ... 83 4.6 Estudo das precipitações intensas para região de Campinas e determinação das precipitações máximas prováveis na bacia do Anhumas ... 86 4.6.1 CARACTERIZAÇÃO DAS ESTAÇÕES PLUVIOMÉTRICAS ... 91 4.6.2 ANÁLISE DE TENDÊNCIAS TEMPORAIS ... 91 4.6.3 DISTRIBUIÇÃO TEÓRICA DE PROBABILIDADE PARA EVENTOS MÁXIMOS DE CHUVA ... 94 4.6.4 TESTE DE KOLMOGOROV-SMIRNOV ... 95 4.6.5 DISTRIBUIÇÃO ESPACIAL E TEMPORAL DAS CHUVAS E ELABORAÇÃO DOS HIETOGRAMAS DE
4.7 Formulação dos cenários de uso e ocupação da bacia ... 102 4.8 Modelação hidrológica e geração dos hidrogramas de escoamento superficial para os cenários de uso e ocupação ... 114 4.8.1 MODELO DOS HIDROGRAMAS NAS SUB BACIAS DO RIBEIRÃO DAS ANHUMAS ... 116 4.8.2 VAZÃO DE BASE ... 117 4.8.3 PRECIPITAÇÃO EFETIVA (PE) ... 117 4.8.4 CATEGORIAS DO USO E OCUPAÇÃO NAS BACIAS DO ANHUMAS E DETERMINAÇÃO DO CN .. 118 4.9 Estruturas hidráulicas de amortecimento do escoamento superficial ... 124 4.10 Translação do hidrograma e routing em canais naturais e artificiais ... 130 4.11 Propagação das cheias a modelagem do escoamento em cursos de água ... 132 4.12 Simulações hidrológicas e avaliação dos cenários ... 136 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 139 5.1 Análise estatística das tendências de intensificação das chuvas para as séries pluviométricas na bacia do Ribeirão das Anhumas ... 139 5.2 Análise do tempo de duração da chuva de projeto ... 162 5.3 Análise das inundações para o cenário atual de uso e ocupação da bacia ... 172 5.4 Análise dos cenários propostos para uso e ocupação da bacia do Anhumas ... 180 5.5 Simulação hidrológica da tendência de intensificação das chuvas nos cenários propostos para uso e ocupação da bacia do Ribeirão das Anhumas ... 197 6 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES FINAIS ... 203 6.1 Recomendações de trabalhos futuros ... 206 REFERÊNCIAS ... 208 6.2 Apêndice 1 – Perfis longitudinais dos talvegues dos Ribeirão das Anhumas, das Pedras e córrego Saneamento ... 216 6.3 Apêndice 2 – Cadastro das obras hidráulicas na bacia do Ribeirão das Anhumas .. 222 6.4 Apêndice 3 - Tempos de percurso e de concentração do Ribeirão das Anhumas e afluentes ... 227 6.5 Apêndice 4 - Indicativos da não uniformidade espacial das chuvas intensas e do modelo de distribuição temporal das chuvas na bacia do Ribeirão das Anhumas ... 238 6.6 Apêndice 5 - Classes de solos na bacia do Ribeirão das Anhumas ... 243 6.7 Apêndice 6 – Figuras dos Polígonos Representativo das categoria de uso ocupação ... 246 6.8 Apêndice 7 - Características do elemento hidrológico “reservoir” ... 252 6.9 Apêndice 8 - Características do elemento hidrológico “reach”... 258 6.10 Apêndice 9 - Parâmetros da distribuição de probabilidade Gumbel e estimativas das
1 INTRODUÇÃO
É notória a recente intensificação das enchentes, tanto na frequência quanto na magnitude das vazões, suplantando a capacidade de escoamento dos sistemas de drenagem urbanos. Esse aumento na ocorrência de eventos extremos é possivelmente reflexo direto das variações climáticas e da urbanização mal planejada das bacias de drenagem.
A falta de planejamento urbano promove o crescimento desordenado das cidades que, por sua vez, potencializa os prejuízos das inundações, uma vez que:
A forte pressão antropogênica e a especulação imobiliária permitem a ocupação de regiões com alto risco de enchentes como Áreas de Preservação Permanente (APP) e várzeas. A invasão dessas áreas, suscetíveis à inundação, prejudica o escoamento e o amortecimento natural da rede hidrográfica, expondo a população residente aos riscos de perdas, tanto materiais quanto financeiras e pessoais;
A impermeabilização excessiva do solo, a redução das áreas permeáveis e o desmatamento da vegetação aumentam o volume de escoamento superficial e, consequentemente, as vazões extremas, tornando as estruturas de drenagem sub dimensionadas;
A implantação de equipamentos urbanos de forma inadequada, como implantação de pontes, bueiros, taludes de estradas e viários que interferem no escoamento, devido a redução das seções hidráulicas de cursos de água, canais e condutos por assoreamento aumentam a ocorrência de inundações localizadas.
Atualmente, a ocupação do espaço urbano é orientada por meio do zoneamento municipal, que é o instrumento legal da gestão pública para regularizar o uso do solo, visando tanto a valorização imobiliária quanto o interesse e bem estar coletivo. Geralmente, essa legislação é desenvolvida dissociada do planejamento da drenagem urbana e, portanto, é desprovida de medidas e ações preventivas para os impactos das inundações.
Com a expansão da urbanização, especialmente em regiões metropolitanas, é observado aumento da frequência das precipitações intensas. Esse incremento nas intensidades das chuvas extremas é associado a aceleração nos processos de formação das chuvas convectivas nas áreas urbanas, resultado ou da provável alteração no microclima local, devido ao aumento da temperatura, ou do microclima regional (como a construção dos reservatórios do sistema Cantareira no caso de Campinas), ou ainda, de uma provável mudança climática.
A luz dessas constantes alterações, tanto na ocupação da superfície quanto no padrão das chuvas intensas, são necessárias incorporá-las ao planejamento das bacias, especialmente no contexto da macrodrenagem, visando o controle das inundações.
Nesse contexto, os Planos Diretores de Macrodrenagem (PDM) se enquadram como instrumentos importantes para a gestão da infraestrutura urbana. Segundo TUCCI e BERTONI (2003), os PDM têm como meta planejar e controlar a distribuição do escoamento superficial com vistas às tendências de uso e ocupação futura na bacia, compatibilizando o desenvolvimento urbano com a redução das perdas econômicas, ambientais e sociais.
Nos PDM, tanto o planejamento do desenvolvimento da bacia, quanto a programação das medidas de controle do escoamento superficial, são extraídos a partir da avaliação de cenários viáveis hipotéticos. Nesses cenários, a avaliação dos riscos de enchentes e a delimitação das zonas inundáveis devem ser avaliadas por meio da modelagem hidrológica. Além de apoio à gestão municipal, esses planos de bacia podem subsidiar a análise dos processos de aprovação e licenciamento ambiental dos empreendimentos, quando situados próximos às áreas de risco de inundação, assegurando que prédios, pontes, canalizações e investimentos de forma geral, não venham a sofrer danos ou prejuízos, atuando assim de forma preventiva para a segurança dos investidores e consumidores.
A bacia do Ribeirão das Anhumas está contida na mancha urbana de Campinas, tendo representativa proporção ainda permeável. Como outras bacias urbanizadas, o sistema de drenagem natural – Ribeirão das Anhumas – está parcialmente antropizado e apresenta problemas na macrodrenagem, com inundações frequentes. Existe, ainda, um vazio entre a porção urbana da bacia, cujo desenvolvimento da área ainda permeável deve ser ocupado de maneira planejada
A expansão da urbanização nas áreas permeáveis, ocupadas pelos usos agrícolas do Ribeirão das Anhumas, será responsável pelo agravamento das cheias, se não forem previstas ações de controle de inundações.
Dada a extensão das inundações do ribeirão das Anhumas, bem como a influência no seu trecho urbano, é necessária a elaboração de um Plano Diretor de Macrodrenagem com vistas às obstruções existentes e à expansão da urbanização.
A elaboração de cenários hipotéticos futuros da bacia, além de ajudar no planejamento do uso e ocupação da bacia, possibilitará modelar e avaliar as alternativas de medidas estruturais e não estruturais, quantificando quais as mais efetivas.
Os cenários, considerando intensificação das chuvas, devem demostrar o impacto do aumento das vazões nas inundações do Ribeirão das Anhumas.
Considerando o contexto do planejamento da macrodrenagem, a modelação hidrológica dos cenários hipotéticos futuros, incorporando os efeitos do aumento das chuvas intensas, devem revelar as fragilidades das estimativas hidrológicas; pois, a sub estimativa das precipitações intensas que foram realizadas no passado podem proporcionar tanto vazões quanto volumes de escoamento superficial aquém das expectativas de projeto, tornando as obras hidráulicas insuficientes e os planos diretores de macrodrenagem falhos.
1.1 Objetivos
O objetivo do presente estudo é modelar o escoamento superficial na bacia do Ribeirão das Anhumas por meio da simulação hidrológica e hidráulica, a partir de diferentes cenários hipotéticos prováveis, associados ao provável aumento na frequência das chuvas intensas, avaliando a redução da tendência de aumentos das inundações na bacia.
Busca-se que a avaliação dos cenários hipotéticos permitirá um melhor planejamento da ocupação da bacia do Anhumas, visando a redução das enchentes e seleção de alternativas de ocupação que proporcionem expansão da mancha urbana.
Como objetivos secundários desse estudo, se propõe avaliar a estacionariedade das séries pluviométricas de precipitação máxima anual, verificando se a equação de chuva de Campinas está desatualizada; (ii) quantificar o efeito da simulação do deslocamento da massa de ar úmida durante a ocorrência dos eventos extremos; e (iii) caracterizar as causas das inundações na bacia do Anhumas.
2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1 Impactos das mudanças climáticas nos projetos de obras hidráulicas
Segundo ZUFFO (2004), um dos indícios do efeito das variações climáticas seria a alteração no comportamento das chuvas intensas, cujas intensidades extremas vêm se tornando mais frequentes. Essas mudanças acarretariam desatualização das equações de chuva empregadas e, consequentemente, no sub dimensionamento das obras hidráulicas de drenagem. Segundo ZUFFO (2008), a concentração de gases do efeito estufa ocorrem naturalmente na atmosfera, desde antes do aparecimento do homem, sendo imprescindíveis na manutenção das temperaturas atmosféricas em torno de 15º C. Esse aquecimento natural permite a manutenção da vida na Terra; entretanto, segundo esse autor, desde a revolução industrial (meados do século XIX) tanto as emissões quanto a concentração de gases na atmosfera, principalmente CO2, vêm aumentando significativamente, sendo intensificadas, gradativamente, desde a década de 50 do século XX, devido a: (i) a combustão de carvão e petróleo; (ii) desmatamento ou substituição pela agricultura intensiva de áreas florestadas e (iii) o crescimento, não planejado, das cidades e regiões metropolitanas.
O aumento contínuo de gases na atmosfera traz, como consequência, maior interação com a radiação infravermelha emitida pela Terra, e consequentemente, aumento da temperatura do ar atmosférico, denominado como “aquecimento global”. Este aquecimento pode ter reflexos nas mudanças climáticas, tais como: (i) distribuição irregular das chuvas; (ii) aumento ou diminuição de temperaturas da atmosfera; (iii) elevação do nível do mar; (iv) intensificação e alteração dos eventos extremos, entre outros.
Segundo VICENTE (2004), uma das grandes preocupações em relação ao clima no final do século XX e começo do XXI é o provável aumento na frequência e na intensidade dos eventos extremos de precipitação, em decorrência das mudanças climáticas.
O autor explica o mecanismo da maior frequência das chuvas intensas devido as possíveis variações climáticas como se segue:
“...O aquecimento levaria a uma maior quantidade de vapor d água na atmosfera e maior transporte para as altas latitudes do Hemisfério Norte e, em consequência, intensificação na convergência de vapor e na precipitação... e que ... em regiões com aumento de precipitação, haverá também maior registro de chuvas intensas” (VICENTE, 2004, p.19).
Essas modificações do regime pluviométrico têm influência direta sobre as vazões dos rios. COLLISCHONN et al. (2001), analisando as séries históricas 20 estações fluviométricas e 36 pluviométricas nas bacias do Rio Paraguai, verificaram que, a partir de 1970, houve alteração do comportamento hidrológico desse rio, bem como dos seus afluentes. Segundo os autores, a descarga média anual desses rios vem aumentando, continuamente, desde 1972 e esses incrementos na vazão média estão fortemente relacionados aos incrementos de precipitação anual, nesse período. Os autores afirmam que o aumento da precipitação anual está relacionado aos incrementos nas precipitações diárias (aumento da frequência de eventos extremos) o que sugere alteração no comportamento da chuva diária.
Nesse trabalho também foi analisado as flutuações máximas, médias e mínimas anuais do nível do Rio Paraguai, a partir das medições no posto naval em Landário-MS, cujos dados estão sumarizados na Figura 2.1.
Figura 2.1. Níveis máximo, médio e mínimo do Rio Paraguai na estação de Landário (Fonte: COLLISCHONN et al., 2001)
Segundo os autores, as variações de nível do Rio Paraguai apresentam três períodos distintos: (i) até 1960, quando os níveis apresentaram comportamento sazonal estável ou regular em relação à média; (ii) de 1960 a 1972, período no qual houve prolongada redução dos níveis dos cursos d´água (“persistente seca”) e (iii) à partir de 1970, quando os níveis do rio apresentaram tendência ascensional.
As tendências observadas nas bacias do Rio Paraguai também foram verificadas em outros estudos usando séries históricas de vazão durante 1901 a 1995 nos rios: Paraná, Negro e Uruguai, segundo GENTA et al. (1998). Por meio de média móvel, com período de 30 anos, dos valores normalizados de vazão anual, identificou-se decrescimento dessa variável até a década de 40 e, a partir da década de 60, essas vazões aumentaram quase linearmente até o final do período da série histórica.
Os autores constataram, por meio do teste não paramétrico de Wilcoxon, que as médias das vazões anuais até 1940 divergiam das médias a partir de 1970, confirmando que foram dois períodos distintos das vazões desses rios e, dessa forma, do clima na América do Sul.
Os autores realçam que a maior dificuldade para estimar tendências estatísticas dos eventos extremos é a não disponibilidade de longas séries históricas de dados diários com boa qualidade dessas informações, ou seja, contínuas e com poucas falhas. No mundo inteiro, a maioria desses registros iniciaram após a segunda guerra mundial, o que dificultou as observações de variações climáticas ao longo do século XX.
ZUFFO (2004) descreve que, com a impermeabilização da bacia, além do impacto direto no coeficiente de escoamento superficial, há alteração no microclima local. Segundo o autor, a superfície asfaltada apresenta coeficiente de reflexão da radiação direta (albedo) menor, promovendo incremento nas temperaturas locais, o que acelera os mecanismos de formação das chuvas convectivas, que são o tipo predominante nas enchentes urbanas.
Essa conversão da superfície pela urbanização pode apresentar uma mudança climática local, também denominada como “ilha de calor” cujo resultado sobre as chuvas intensas é semelhante ao esperado pelo aquecimento global.
Parágrafo sobre ilhas de calor
O autor, analisando a ocorrência de chuvas intensas da região de Campinas-SP, comprovou que a atual equação de chuva, proposta por VIEIRA (1981), não representa mais a realidade desses eventos extremos. Segundo o autor, a equação original está associada à série
histórica anterior ao acentuado crescimento da Região Metropolitana de Campinas (RMC); portanto, não contemplou as possíveis mudanças climáticas da região.
O autor, observando eventos de chuvas diárias máximas anuais (P1d), constatou que as precipitações acima de 100 mm foram mais frequentes recentemente e que “78% das ocorrências das grandes precipitações ocorreram nos últimos 20 anos...esses valores não existiam na série utilizada por Vieira (1982)”.
GENOVEZ e ZUFFO (2000), fazendo extensa revisão nos métodos de determinação das chuvas intensas no estado de São Paulo, discutem que muitas das equações de chuva disponíveis foram ajustadas para séries históricas anteriores à 1982, sendo que muitos desses períodos analisados foram inferiores a 10 anos.
Conforme os autores, para locais ainda desprovidos de equações de chuva ou com equações desatualizadas, pode-se lançar mão de outras formas de determinação das chuvas intensas, sem grandes prejuízos nas estimativas, desde que se tenham séries históricas pluviométricas ou pluviográficas longas e atuais, por meio de: (i) utilização de coeficientes de correlação entre chuvas intensas de diferentes durações e (ii) uso de equações de chuvas intensas generalizadas.
Embora o efeito estufa potencializado pela atividade humana seja indicado como principal causador do aquecimento global e, consequentemente, das demais mudanças climáticas, há opiniões divergentes sobre a persistência dessas tendências e se as maiores intensidades, tanto de temperatura quanto precipitação, não são variações cíclicas naturais.
SAVENIJE (1995), em sua reflexão, associando o aumento de intensidade e frequência dos eventos extremos (enchentes) com as mudanças climáticas, afirma que tanto os modelos hidrológicos (especialmente os empíricos) como o conhecimento do comportamento hídrico dos rios são baseados em séries históricas consideradas homogêneas ao longo dos tempos. Com a intensificação da atividade humana nas bacias de drenagem dos rios, reduzindo o armazenamento das chuvas em relação ao escoamento direto, séries históricas hidrológicas foram se alterando, apresentando desvios nessa homogeneidade. O autor ainda destaca que, embora os eventos extremos sejam um sinal das mudanças climáticas e hidrológicas já observadas, nossas séries históricas não são extensas o suficiente para identificar alterações severas nos eventos meteorológicos, especialmente as enchentes.
EASTERLING et al. (2000), concordando com o autor anteriormente citado, discute que, em várias regiões do planeta foram observadas variações estatisticamente
significativas dos eventos extremos de temperatura e precipitação diária; porém, essas estimativas se basearam em séries históricas de curta duração.
MOLION (2008) critica a hipótese do aquecimento global intensificado pela atividade humana e afirma que as variações de temperaturas globais entre 1925 e 1946 e entre 1977 e 1998, estão associadas a outras condições físicas externas e internas ao sistema terra– atmosfera-oceano. O autor aponta como condições climáticas que podem estar envolvidas nos ciclos de aquecimento e resfriamento do planeta: (i) efeito das ilhas de calor devido expansão da urbanização das cidades e regiões metropolitanas; (ii) variação cíclica da atividade solar; (iii) variação da frequência de ocorrência de eventos de aquecimento e resfriamento do oceano Pacífico – El Niño (ENOS) e La Niña, que acabam influenciando a baixa troposfera.
Esses eventos apresentam comportamento cíclicos e, embora seus mecanismos físicos não estejam plenamente entendidos, sua amplitude e frequência ultrapassam a longevidade das séries históricas meteorológicas observadas.
O mecanismo indutor do ciclo hidrológico é a energia solar, cuja atividade anual varia de forma cíclica. Conforme MOLION (2005), observações recentes indicam que esta produção de energia está associada à ocorrência às manchas no sol, cujo número e frequência são cíclicos (ciclos solares), que podem ser de uma a algumas décadas, como o de Gleissberg, de aproximadamente 90 anos.
Segundo este autor, os ciclos solares podem ser uma das principais condições externas de controle da variação climática global.
BACK (2001) argumenta que em estudos e projetos hidrológicos que utilizam a teoria da probabilidade em séries climáticas temporais, parte-se da premissa que essas séries são aleatórias e homogêneas e, portanto, a sucessão de valores ocorre de forma aleatória, mantendo constante a média amostral e os parâmetros da distribuição de probabilidade ao longo dos anos.
Nesse contexto, as séries hidrológicas não podem apresentar tendência que, segundo esse autor, são mudanças sistemáticas caracterizadas por suaves acréscimos ou decréscimos nos valores dos parâmetros estatísticos.
Ainda segundo o autor, as variabilidades naturais dos dados meteorológicos, além das oscilações abruptas, se constituem nas maiores dificuldades em se detectar tais tendências estatisticamente significativas.
NAGHETTINI e PINTO (2007) descrevem a maior aplicação dos testes estatísticos não paramétricos em variáveis hidrológicas, visto que esses não assumem previamente que a distribuição de probabilidade das variáveis é normal. Geralmente estas variáveis apresentam forma fortemente assimétrica.
BACK (2001), estudando tendências em séries climáticas de precipitação e temperaturas mensais em Urussanga-SC, confrontou os resultados dos seguintes testes estatísticos: (i) da análise de significância do coeficiente da regressão linear, (ii) Mann-Kendall (MK), (iii) Mudança abrupta de Pettitt (PT) e o (iv) de RUN. O autor indicou a aplicação dos testes de análise da regressão, MK e PT, uma vez que estes apresentaram concordância com os resultados.
PELEGRINO (1995), estudando o comportamento espacial e a evolução temporal das variáveis hidrológicas das sub bacias do Rio Piracicaba, verificou tendência estatística significativa de aumento da precipitação anual nessas bacias, para as séries históricas da década de 30 até 1991.
O autor afirma que a combinação dos testes não paramétricos MK e PT foram eficientes na detecção e avaliação de tendências estatísticas e dos pontos de mudança nas séries históricas anuais, o que é uma vantagem sobre o método da regressão linear.
Esse autor também salienta que “...embora a tendência positiva seja clara e ocorra no período analisado em toda a bacia, não se pode afirmar que ela continue indefinidamente, ... Infelizmente não dispomos ainda de séries seculares suficientes, que nos permitam analisar ciclos com períodos mais longos”.
BLAIN e MORAES (2011), aplicando os testes Mann-Kendall e Pettitt para a 8 séries históricas de máximas pluviométricas anuais diárias (P1d) de Campinas, Cordeirópolis, Jundiaí, Mococa, Monte Alegre do Sul, Pindorama, Ribeirão Preto e Ubatuba, não constataram tendências monótonas temporais durante o período de 1948 a 2007 para sete dessas estações. Somente a série de Pindorama apresentou e confirmou tendência crescente das chuvas máximas.
A inexistência de tendência temporal para Campinas foi confirmada por BLAIN (2011), que avaliou a série longa do IAC de 1890 a 2009 (120 anos), por meio da combinação dos testes não paramétricos de MK, PT e Run.
SANSIGOLO (2008), estudando as funções teóricas de probabilidade para as variáveis meteorológicas de máximas anuais de temperatura, velocidade e precipitação diária,
para a série histórica de Piracicaba, durante 1917 a 2006, também não detectou tendências temporais para a região.
Esses artigos indicam que, embora possa ter ocorrido aumento das precipitações máximas anuais, não há consenso de tendência temporal crescente regional para esta variável.
O trabalho de VICENTE (2004) indica a altura de chuva P1d de 100 mm.dia-1 como um evento extremo de grandes proporções; porém, pelas estimativas de probabilidade apresentadas por BLAIN e MORAES (2011), tal magnitude estaria associada a tempos de retorno inferiores a 10 anos para as regiões estudadas de São Paulo, ou seja, seriam eventos chuvosos frequentes.
As variações pontuais do clima devido expansão urbana são associadas à formação do “fenômeno urbano” das ilhas de calor que, segundo SILVEIRA (1997), provocam incrementos das chuvas regionais, tanto no volume total precipitado quanto na intensidade das máximas.
Por meio de dados pluviográficos de 14 estações instaladas na bacia do arroio Dilúvio em Porto Alegre, durante 1978 a 1982, este autor detectou significativas diferenças das relações duração-intensidade-frequência (IDF) das precipitações máximas, entre a parte urbana e a rural dessa bacia. Nesse trabalho, as precipitações intensas calculadas para a região urbanizada foram superiores às da não urbanizada de, 9 a 26%, para a duração de 30 a 480 minutos, respectivamente.
Segundo o autor, essa maior diferença entre as intensidades das chuvas de 30 minutos (menor duração) se deve ao efeito urbano, visto que é esperado aceleração nos processos de formação de chuvas convectivas em zonas urbanizadas.
2.2 Inundações e alternativas para controle da drenagem urbana
Conforme TUCCI e BERTONI (2003), durante o crescimento das cidades as alterações urbanas prejudicam a macrodrenagem “natural dos cursos de água” pelos seguintes motivos: (i) ocupação/invasão das várzeas, principalmente o leito maior de inundação; (ii) impermeabilização plena do solo; (iii) redução da cobertura vegetal; entre outros. Essa ocupação mal planejada, especialmente das várzeas dos cursos de água, proporciona restrições às planícies de inundação naturais, antes utilizadas para amortecimento do hidrograma de enchente.
2.2.1 Enchentes urbanas e inundações
Segundo TUCCI et al. (1995), “As cheias são eventos hidrológicos naturais, com probabilidade de ocorrência definida, cujas causas podem ser: (i) naturais, dependentes do relevo, tipo de precipitação, cobertura vegetal e capacidade de infiltração dos solos, ou (ii) antrópicas ou seja, provocadas pela ação humana, mais especificamente, pela urbanização da bacia, pelo desmatamento, etc.”. Entretanto, as inundações são resultado, principalmente, do crescimento não planejado dos municípios, resultando na urbanização de bacias hidrográficas antes “permeáveis”, e pela obsolescência dos dispositivos de drenagem, que são ou se tornam sub dimensionados ao longo da vida útil dessas obras.
Na Figura 2.2, adaptada de TUCCI et al. (1995), estão sintetizados os principais processos de alteração no escoamento superficial em bacias urbanas, com consequente agravamento das enchentes.
A urbanização aumenta o volume de água pluvial a ser escoado, bem como reduz o tempo do escoamento superficial, alterando a forma do hidrograma de cheia. Com a impermeabilização do solo, o escoamento ocorre, principalmente, por condutos e canais, reduzindo a infiltração e aumentando o volume que escoa pela superfície.
TUCCI e BERTONI (2003) classificam as inundações em (i) ribeirinhas e (ii) devido a urbanização. O primeiro tipo é a ocorrência natural das enchentes; já o segundo está associado ao crescimento desordenado das cidades, que consequentemente acaba aumentando as vazões de pico, sobrecarregando os sistemas de macrodrenagem.
Figura 2.2. Processos de formação das inundações em áreas urbanas. (Fonte: TUCCI et al., 1995)
As inundações ribeirinhas são processos naturais de extravasão do escoamento para o leito maior sazonal e excepcional, ocupando as regiões de várzea. Esse fenômeno passa a constituir problema ao passo que a população ocupa essas zonas de risco.
Durante o processo de expansão urbana das cidades, uma das principais características é a pavimentação da várzea dos rios e retificação dos córregos, visando a construção de infraestrutura, eliminando a função natural das planícies fluviais que é a de receber e amortecer o hidrograma de enchente.
OLIVEIRA (2004), estudando as inundações do Ribeirão das Pedras para cenários propostos de urbanização nessa bacia, propõe a inserção das várzeas naturais no papel de bacias de detenção, seguindo critérios técnicos para restauração ecológica dessas áreas. O autor afirma que as várzeas restauradas anulariam o aumento das vazões de pico, desde que as taxas da impermeabilização da bacia não ultrapassassem 65% da ocupação.
O autor discute que os estudos e os planos de bacia negligenciam o funcionamento hidrológico das várzeas para o controle das inundações. Segundo o autor:
URBANIZAÇÃO
Aumento da Densidade Populacional
Aumento da Densidade de Construções
(Taxa de Ocupação TO)
Aumento da Área Impermeável Modificação do Sistema de Drenagem (canalização / retificação) Aumento na Velocidade do Escoamento Superficial Redução dos Tempos de Concentração Alterações do Microclima Regional Chuvas Intensas mais freqüentes Escoamento Superficial direto aumenta Aumento das Vazões de Pico AGRAVAM OS PROBLEMAS DE INUNDAÇÃO Volume de Água Servida Aumenta Demanda de Água Aumenta PROBLEMAS DE REC. HÍDRICOS Recarga dos Aqüíferos Diminui Redução das Vazões
Mínimas ou de Estiagem Aumento da Poluição Difusa Deterioração da Qualidade dos cursos d’água receptores
CONTROLE DA POLUIÇÃO / TRATAMENTO DE ÁGUA URBANIZAÇÃO Aumento da Densidade Populacional Aumento da Densidade de Construções
(Taxa de Ocupação TO)
Aumento da Área Impermeável Modificação do Sistema de Drenagem (canalização / retificação) Aumento na Velocidade do Escoamento Superficial Redução dos Tempos de Concentração Alterações do Microclima Regional Chuvas Intensas mais freqüentes Escoamento Superficial direto aumenta Aumento das Vazões de Pico AGRAVAM OS PROBLEMAS DE INUNDAÇÃO Volume de Água Servida Aumenta Demanda de Água Aumenta PROBLEMAS DE REC. HÍDRICOS Recarga dos Aqüíferos Diminui Redução das Vazões
Mínimas ou de Estiagem Aumento da Poluição Difusa Deterioração da Qualidade dos cursos d’água receptores
CONTROLE DA POLUIÇÃO / TRATAMENTO DE ÁGUA
“... a preservação das várzeas urbanas é de fundamental importância para o controle de enchentes, definindo-se normas que restringem a ocupação de tais áreas. Entretanto, existem poucas áreas estudadas que permitam definir a localização e extensão das várzeas urbanas e naturais, além de avaliar o efetivo desempenho dessas áreas no amortecimento de ondas de cheias, bem como as estruturas necessárias para aumentar a eficiência destas” (OLIVEIRA, 2004)
O autor discute, ainda, que a recuperação das planícies de inundação, além de garantir funcionamento hidrológico semelhante aos dos reservatórios de detenção, apresentam ganho ambiental para a bacia, pois estão associados à recuperação dos córregos, controle da erosão, transporte de sedimentos e revitalização da mata-ciliar.
Segundo CHIRSTOFOLETTI (1980), as planícies fluviais (várzeas) são áreas do vale fluvial recobertas por sedimentos aluviais (depósitos sedimentares), transportados e depositados durante as cheias, quando transbordam o leito menor de inundação.
A Figura 2.3, adaptada de CHIRSTOFOLETTI (1980), apresenta uma seção típica da calha fluvial e da sua planície de inundação, sendo constituída por: (i) leito do canal (calha do corpo hídrico); (ii) planície de inundação; (iii) diques marginais; (iv) bacias de decantação e (v) baixos terraços, englobando o leito maior sazonal e o leito maior excepcional de inundação. Segundo o autor, do ponto de vista hidrológico, essas seções geomorfológicas são periodicamente inundadas por cheias ordinárias e frequentes. Durante o transbordamento do nível d´água para o leito maior sazonal, parte do volume de água afluente é armazenado nesse reservatório natural, onde estabelecerão processos de routing do hidrograma. Devido a essa propriedade, as várzeas também são denominadas planícies de inundação.
Segundo OLIVEIRA (2004), como as planícies de inundação estão conjugadas ao corpo hídrico, frequentemente observa-se afloramento do lençol freático, cujo nível se altera conforme época do ano. Dadas essas condições de saturação nessas zonas, nelas predominam solos hidromórficos, orgânicos ou aluvionais, que são impróprios para edificações e obras.
