MAPEAMENTO E PREVISÃO DAS ÁREAS URBANAS INUNDÁVEIS NA
CIDADE DE LAJEADO – RS - BRASIL
Vianei Luís Diedrich
Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS
Centro Estadual de Pesquisas em Sensoriamento Remoto e Meteorologia
Av. Bento Gonçalves, 9500 - Campus do Vale Cx.P. 15044, CEP.91501-970 - Porto Alegre - RS – Brasil
vianeidiedrich@yahoo.com.br
Rafael Rodrigo Eckhardt
Universidade Federal do Rio Grande do Sul - UFRGS
Centro Estadual de Pesquisas em Sensoriamento Remoto e Meteorologia
Av. Bento Gonçalves, 9500 - Campus do Vale Cx.P. 15044, CEP.91501-970 - Porto Alegre - RS – Brasil
rafaeckhardt@yahoo.com.br
Everaldo Rigelo Ferreira
Centro Universitário UNIVATES
Pró-Reitoria de Pesquisa Extensão e Pós-Graduação
Av. Avelino Tallini, 171, Universitário - CEP 95900-000 - Lajeado - RS ferreira@univates.br
Claus Haetinger
Centro Universitário UNIVATES
Pró-Reitoria de Pesquisa Extensão e Pós-Graduação
Av. Avelino Tallini, 171, Universitário - CEP 95900-000 - Lajeado - RS chaet@univates.br
RESUMO
A ocupação antrópica junto aos ambientes ribeirinhos resultou em a uma série de restrições e problemas relacionados com as inundações. O estudo de eventos extremos, como as inundações, é imprescindível, principalmente em áreas urbanas, devido à quantidade de vidas, saneamento, bens materiais e infra-estruturas envolvidas no processo. A cidade de Lajeado, localizada no nordeste do Rio Grande do Sul, historicamente e de forma periódica, é atingida por inundações decorrentes das enchentes do Rio Taquari. O presente estudo objetiva elaborar o mapeamento da área urbana inundável, diagnosticando e caracterizando a ocupação do solo das áreas sujeitas às inundações e desenvolver um sistema de previsão de inundações através de séries históricas dos níveis do rio na referida cidade. Para o mapeamento e a simulação dos níveis de inundação, foram utilizadas uma base topográfica digitalizada em escala 1:2.000, e uma imagem do satélite QuickBird. Para a validação do mapeamento, foi utilizado o nível máximo atingido pela inundação de 24 de setembro de 2007 na área de estudo, com o auxílio de GPS e fotografias aéreas. O sistema de previsão de inundações foi elaborado através de uma série histórica de inundações para a correlação entre o nível do rio em Lajeado e o nível em cidades localizadas a montante. A integração entre o modelo digital de elevação e a imagem de satélite permitiu a simulação do avanço da inundação sobre a cidade. O modelo matemático gerado torna possível a previsão da cota de inundação com antecedência ao evento. A utilização conjunta das geotecnologias e as técnicas de representação e análise espacial mostraram-se fidedignas na simulação, mapeamento e diagnóstico do uso do solo das áreas sujeitas às inundações.
ABSTRACT
The study of extreme events, as floods, it’s indispensable, mainly in urban areas, due to amount of lives, sanitation, material goods and infrastructures involved in the process. The Lajeado city, located in center at Rio Grande do Sul state, historically and in a periodic way, is reached by inundations decurrently of Taquari River’s floods. This paper aims to mapping the urban area, to diagnose the land use of the areas reached by floods and to develop a system of flood forecasting through time series of river levels in the Lajeado city. To the mapping and simulation of flood levels were used a digital cartographic basis at a 1:2000 scale and a Quickbird image. The flood forecasting system was developed through series of floods to the correlation between the river levels in Lajeado city and other cities located upstream. The integration between digital elevation model and satellite image has allowed the simulation of flood avance in urban areas. The joint use of the geotechnologies and the spatial analysis and representation techniques revealed up trustworthy in simulation, mapping and land use diagnostics of the areas reached by floodings.
Keywords: urban floods, mathematical modeling, mapping, Geoprocessing
1 INTRODUÇÃO
A tendência atual do limitado planejamento urbano está levando as cidades a um caos ambiental urbano, com custo extremamente alto para a sociedade (Guerra e Cunha, 2004).
O reflexo da falta de planejamento territorial é apresentado de vários modos, como, por exemplo, através da utilização de áreas potencialmente interessantes para determinados empreendimentos (turismo, agricultura, pecuária etc.), invadidas pela expansão urbana desordenada, ou então áreas com sérios riscos ambientais (inundações, deslizamentos, etc.), usadas como moradias (Silva e Zaidam, 2004).
Embora pesem, favoravelmente, o grande avanço tecnológico atual e os esforços para o conhecimento das forças da natureza, a sociedade hodierna permanece, ainda, bastante vulnerável diante dos eventos naturais extremos, particularmente os de natureza meteorológica (Brandão, in Guerra e Cunha, 2004).
Os rios, nos períodos chuvosos, saem do seu leito menor e ocupam o leito maior, em média, a cada dois anos, dentro de um processo natural (Tucci et al., 1995). Como isto ocorre de forma irregular ao longo do tempo, a população tende a ocupar o leito maior, ficando sujeita ao impacto das inundações (Tucci e Bertoni, 2003). Independente da forma de ocupação urbana, em geral há uma tendência de ocupação da planície de inundação por moradias, edificações comerciais, vias de circulação e até prédios públicos. Dependendo do grau de ocupação das áreas ribeirinhas, quando se dá uma inundação de média e grande magnitude, os efeitos negativos associados são significativos.
Sob o rótulo genérico de eventos naturais extremos encontra-se uma gama de fenômenos, variada em quantidade e complexa em intensidade. A grande maioria dos mais freqüentes e intensos desses eventos
está ligada, direta ou indiretamente, à atmosfera: enchentes, secas, nevoeiros, geadas, granizos, descargas elétricas, nevascas, tornados, ondas de calor, ciclones tropicais e vendavais, complementados por desmoronamentos de vertentes e ressacas, acrescidos por impactos pluviais concentrados (White, 1974 apud Monteiro, 1991).
Observando a distribuição dos principais desastres naturais que ocorreram na América do Sul entre 1975 - 1999, nota-se que as inundações correspondem a cerca de 50% do total de desastres na maioria dos países (Fig. 1).
Fig. 1 - Desastres naturais na América do Sul entre os anos de 1975 e 1999. Fonte: http://www.cred.be
A Fig. 2 apresenta o panorama dos desastres naturais no Brasil, entre os anos de 2000 e 2007, onde as inundações representam um percentual de 58% do total de desastres registrados. Neste período, 1,5 milhões de pessoas foram afetadas por algum tipo de desastre natural, com prejuízos da ordem de US$ 2,5 bilhões (Santos, 2007).
Fig. 2 - Panorama dos desastres naturais no Brasil entre 2000 e 2007 (Santos, 2007)
O geoprocessamento é aceito como sendo uma tecnologia que possui o ferramental necessário para realizar análises espaciais e, portanto, oferece alternativas para o entendimento da ocupação e utilização do meio físico (Silva, 1999). Esta tecnologia, integrada com dados de Sensoriamento Remoto, auxilia na simulação das áreas sujeitas às inundações e no diagnóstico do padrão de uso do solo. A disponibilidade destas informações permite estabelecer alternativas e programar ações que visem mitigar os efeitos negativos associados às inundações, uma vez que é difícil a solução completa do fenômeno. O mapeamento das áreas de inundação utilizando os recursos das geotecnologias em áreas urbanas e em grandes extensões de terra, como em bacias hidrográficas, é realizado em diversas partes do mundo (Sippel et al., 1998; Brivio et al., 2002; Rosenqvist e Birkett, 2002; Florenzano et al., 1988).
2 INUNDAÇÕES NA CIDADE DE LAJEADO / RS Lajeado localiza-se na região central do Vale do Taquari, distando 117 km de Porto Alegre (Fig. 3). Por estar localizado em posição intermediária à borda do Planalto Meridional e da Depressão Central Gaúcha apresenta relevo aplainado a levemente ondulado. A cidade está localizada na margem direita do Rio Taquari, entre as coordenadas UTM SAD69, Fuso 22, 6736000 - 6748000 N e 390000 - 412000 E. O município apresenta 72.208 habitantes (IBGE, 2009) e área territorial de 90,42 km².
Fig. 3 - Localização do município de Lajeado
Na referida cidade, as inundações são fenômenos que ocorrem com frequência, causando grandes impactos ao meio ambiente e ao meio antrópico. Como a maioria das cidades brasileiras, a evolução da ocupação humana em Lajeado não foi planejada no ambiente urbano. Esta se desenvolveu de forma espontânea à margem do Rio Taquari, assim como as demais cidades vizinhas, de modo que os principais problemas ambientais que a cidade enfrenta são inundações, passivos ambientais decorrentes das inundações e a liberação de resíduos domésticos e industriais nesse curso de água.
A Fig. 4 apresenta a série histórica das principais inundações ocorridas nos últimos 67 anos e os respectivos níveis atingidos. Estes registros foram disponibilizados pela AHSUL (Administração das Hidrovias do Sul) e pelo Centro de Informações Hidrometeorológicas da UNIVATES. Os níveis máximos das inundações estão relacionados à cota topográfica de 13 m, utilizada como referência de nível (RN) oficial para o Rio Taquari, na cidade de Lajeado (AHSUL, 2007).
Fig. 4 - Série histórica de inundações de Lajeado A Fig. 5 apresenta uma vista panorâmica parcial da cidade de Lajeado durante a inundação ocorrida em 03 de outubro de 2001.
Fig. 5 - Vista panorâmica da inundação ocorrida em 03 de outubro de 2001 na cidade de Lajeado 3 METODOLOGIA
Considerando que as inundações são fenômenos naturais imprevisíveis quanto a sua
58%
6% 3% 14%
8% 11%
ocorrência, o estudo da previsão de cheias através de cálculos de probabilidade de ocorrência e do período de retorno é importante para quem planeja o uso das áreas sujeitas às inundações. O presente estudo envolveu duas etapas principais: simulação e mapeamento das áreas inundáveis e o sistema de previsão de inundações.
3.1 Mapeamento das Áreas Inundáveis
Para a realização do mapeamento das áreas inundáveis, foram utilizados os seguintes materiais:
• Base topográfica analógica em escala 1:2.000 digitalizada;
• Imagem do satélite de alta resolução espacial QuickBird ortorretificada, de 28/02/2006;
• GPS Diferencial (DGPS);
• Softwares: ENVI, AutoCAD MAP 3D, Idrisi Andes, Erdas Imagine Virtual GIS e SPRING.
As curvas de nível digitalizadas com eqüidistância de 1 metro serviram para gerar um Modelo Digital de Elevação (MDE), que posteriormente foi utilizado para a ortorretificação da imagem de satélite e para a simulação dos níveis de inundação. Pontos de controle terrestres foram medidos com DGPS para a ortorretificação da imagem Quickbird.
Foram simulados os níveis de inundação, com eqüidistância de 1 metro, da cota topográfica de 13 m (nível de referência do rio Taquari na cidade de Lajeado) até a cota topográfica de 30 m (maior nível de inundação já registrado em Lajeado).
Para fins de validação do mapeamento dos diversos níveis de inundação, foi simulada a área inundada pela enchente registrada na área de estudo, ocorrida em 24 de setembro de 2007 e que atingiu a cota topográfica de 25,97 m. Foram utilizados 26 pontos de controle medidos no momento de pico da inundação com DGPS, com GPS e fotografias tomadas ao chão e por aeronave, como verdade terrestre. Foi calculada a distância horizontal média entre a área de inundação simulada e a observada no solo (εd).
3.2 Sistema de Previsão de Inundações
Para a modelagem do sistema de previsão de inundações para a cidade de Lajeado, foram utilizadas séries históricas de inundações pareadas entre Lajeado e Encantado (localizado a montante). O software Labfit foi utilizado para encontrar o melhor ajuste da curva matemática para as duas séries históricas pareadas de inundações. Este software simula, a partir de uma lista com 500 funções previamente selecionadas, aquelas que melhor se adequam aos dados originais, baseando-se menor valor de X² Reduzido.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Quando o Rio Taquari alcança a cota topográfica de 19 m na cidade de Lajeado configura-se o estado de inundação. Desse modo, e pelos cálculos realizados por Rezende e Tucci (1979) apud Flintsch (2002), considera-se que a cidade de Lajeado é afetada por inundações com uma periodicidade média inferior a 2 anos. A Fig. 6 apresenta a série histórica dos níveis máximos de inundação acoplada com diversos períodos de retorno calculados para a cidade de Lajeado.
13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 18 /7 /1 940 06/ 05/ 1941 18/ 11/ 1941 20/ 05/ 1942 27/ 01/ 1946 27/ 09/ 1954 06/ 04/ 1956 30/ 09/ 1961 18/ 10/ 1963 22/ 08/ 1965 06/ 08/ 1966 21/ 09/ 1967 29/ 08/ 1972 21/ 09/ 1972 03/ 08/ 1977 19/ 08/ 1977 30/ 06/ 1982 25/ 10/ 1982 13/ 11/ 1982 10/ 07/ 1983 19/ 08/ 1983 15/ 09/ 1988 26/ 09/ 1988 13/ 09/ 1989 25/ 09/ 1989 02/ 06/ 1990 16/ 10/ 1990 29/ 05/ 1992 05/ 08/ 1997 13/ 10/ 2000 22/ 07/ 2001 03/ 10/ 2001 13/ 06/ 2002 21/ 02/ 2003 08/ 07/ 2003 25/ 10/ 2003 15/ 12/ 2003 19/ 05/ 2005 17/ 10/ 2005 27/ 07/ 2006 11/ 07/ 2007 24/ 09/ 2007
Série Histórica de Inundações
C o tas T opog ráfi ca s (m )
Níveis de Inundação PR - 2 anos PR -PR - 50 anos PR - 100 anos
Fig. 6 - Série histórica de inundações acoplada ao período de retorno calculado para a cidade de Lajeado
A partir da análise da Fig. 6, constata-se que a maioria dos eventos de inundação registrados na cidade de Lajeado apresenta um período de retorno inferior a 10 anos, indicando um alto o risco destas áreas serem atingidas por inundações. Conforme a análise, os imóveis, edificações e infra-estruturas, localizadas abaixo da cota topográfica de 26 m, possuem um alto risco de sofrerem danos decorrentes das inundações.
A integração de modelos digitais de elevação, gerados com curvas de nível em escala 1/2.000, e imagens do satélite Quickbird permitiu a simulação do avanço das inundações sobre a cidade de Lajeado. A Fig. 7 representa o nível de referência do Rio Taquari para a cidade de Lajeado, e a Fig. 8 apresenta a simulação das áreas sujeitas à inundação com o rio atingindo a cota de 30 metros.
Fig. 8 - Cota de inundação de 30 m
A validação das cotas de inundação simuladas foi realizada de forma heurística e matemática, utilizando 26 GCP marcados durante o pico da inundação com DGPS, GPS e fotografias aéreas e tomadas ao solo. A validação foi realizada para a cota de inundação simulada de 25,97 m, pois este nível representa a última inundação registrada na área de estudo, ocorrida em 24 de setembro de 2007. A Fig. 9 apresenta o ajuste heurístico do referido nível de inundação.
Fig. 9 - Ajuste da simulação da cota de inundação de 25,97 m
O erro médio da cota de inundação simulada em relação à área inundada observada no solo foi de 6,29 metros e desvio padrão de 3,97 metros, com a utilização de 26 GCP. Este erro indica que a simulação apresentou um ajuste com a área inundada observada no solo que pode ser considerado satisfatório. A Fig. 10 exemplifica a medida da área de inundação com DGPS.
Fig. 10 - Mapeamento da área inundada pela inundação de 24 de setembro de 2007 com DGPS, que atingiu a
cota topográfica de 25,97 m
A Fig. 11 apresenta a posição atingida pela inundação no solo em relação à área inundada simulada. No exemplo, com a utilização de DGPS, o erro médio altimétrico observado foi de 1,10 metros, e o erro médio horizontal foi de 5,50 metros.
Fig. 11 - Ajuste da área inundada simulada de 25,97 m em relação à área inundada observada no solo, pela
inundação de 24 de setembro de 2007
A partir das etapas de validação e após a simulação das áreas sujeitas às inundações, do nível de referência do Rio Taquari de 13 m até a cota topográfica de 30 m, foi estruturada a carta de inundação para a cidade de Lajeado (Fig. 12).
Fig. 12 - Carta de inundação da cidade de Lajeado Analisando a evolução da área inundada em função declividade do terreno, os resultados indicaram que até a cota de inundação de 19 m, as declividades têm características de moderado ondulado (8-13%) a escarpado (mais de 100%), caracterizando-se, portanto, como áreas de elevada declividade. Esta característica está relacionada com o aprofundamento do canal do Rio Taquari e afluentes, de modo a promover a inundação de uma área reduzida (19,18%). A partir da cota de 19 m, o terreno passa a ter característica predominante plana (0-3%) a moderado ondulado (8-13%), correspondendo a 61,45% da área sujeita às inundações. Esta característica do relevo favorece a inundação de grandes áreas.
Na área de estudo, a área total sujeita às inundações corresponde a 416,81 ha. A elevação do nível da água do Rio Taquari em até 6 m acima do nível de referência, quando alcança a cota topográfica de 19 m, a área inundada corresponde a 19,18% da área total sujeita às inundações. No intervalo considerado, a área inundada tem incremento médio de 13,32 ha/cota de inundação. Por sua vez, da cota de inundação de 20 m até 30 m, o incremento médio da área inundada por cada cota de inundação é de 30,63 ha. A Fig. 13 ilustra a área inundada em função da cota de inundação.
0 60 120 180 240 300 360 420 C o t as T o po grá f ic as ( m) 0 20 40 60 80 100
Fig. 13 - Área inundada em função da cota de inundação
O coeficiente de Pearson (r) calculado entre os níveis máximos de inundação na cidade de Encantado (x = valores independentes) e de Lajeado (y = valores dependentes) foi de 0,9452, indicando haver uma elevada relação linear entre os dois conjuntos de dados. Uma vez confirmada esta associação, pelo software LabFit, foi obtido o modelo matemático que representasse a melhor curva de ajuste para o conjunto de dados (Fig. 14).
Fig. 14 - Ajuste do modelo matemático de previsão das cotas de inundação para Lajeado em função das cotas
de inundação de Encantado
De acordo com o software LabFit, em função do X² Reduzido (1,74), o modelo matemático que apresenta o melhor ajuste é uma hipérbole (1).
6062 , 57 39 , 1450 + − = x y (1)
O comportamento hiperbólico do modelo matemático é justificado pela baixa declividade da calha do rio ao longo do trajeto estudado.
A Fig. 15 apresenta o ajuste dos níveis de inundação modelados para a cidade de Lajeado em relação aos valores observados em Lajeado e Encantado. Os valores dos níveis de inundação modelados não diferem significativamente em relação aos valores observados para a cidade de Lajeado (X² = 2,381), indicando que o modelo matemático apresenta um ajuste muito bom, dentro do intervalo do conjunto de dados disponível. A Fig. 16 apresenta o erro dos níveis de inundação modelados em relação aos valores esperados. 0 10 20 30 40 50 60
Ní vel das Inundações em Encant ado Ní vel das Inundações em Lajeado Lajeado Mo Fig. 15 - Ajuste dos níveis de inundação modelados para Lajeado em relação aos valores observados em
Lajeado e Encantado -3 -2 -1 0 1 2 3
Valor Esperado Valor Modelado - Valor Observado Fig. 16 - Ajuste dos níveis de inundação modelados
para Lajeado em relação aos valores esperados Com base no modelo matemático apresentado em (1), conhecendo a cota de inundação em Encantado, é possível estimar a cota de inundação em Lajeado. Desta forma, pode-se proceder à identificação das áreas a serem atingidas por determinada cota de inundação e assim, tomar decisões estratégicas de desocupação temporária das áreas inundáveis com maior antecedência.
5 CONCLUSÕES
O estudo realizado mostrou-se adequado para proceder à simulação e ao mapeamento das áreas sujeitas às inundações. No que diz respeito às áreas atingidas pelas inundações, a utilização das imagens do satélite QuickBird mostrou-se adequada para visualizar as áreas atingidas pelos diversos níveis de inundação.
O método matemático de previsão de inundações permite o conhecimento da cota de inundação e a área urbana a ser atingida por determinado evento, com antecedência de 5 a 6 horas na cidade de Lajeado, em função do nível do Rio Taquari à montante.
A previsão e o mapeamento das áreas sujeitas às inundações são a base para a implantação de um sistema de alerta. Este, por sua vez, constitui-se em uma das principais medidas para minorar os efeitos negativos das inundações sobre a sociedade, evitando a adoção de ações isoladas que tendem apenas a transferir os problemas gerados pelas inundações. 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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