ELABORAÇÃO E CALIBRAÇÃO DE UM MODELO HIDRODINÂMICO
PARA SIMULAÇÃO DE CHEIAS FLUVIAIS NA BACIA DO RIO
BENGALAS, EM NOVA FRIBURGO, COM USO DO MODCEL.
Osvaldo Moura Rezende 1*, Anna Beatriz Franco2, Antonio Krishnamurti Beleño de Oliveira3,Luiza Batista de França Ribeiro4, Marcelo Gomes Miguez5.
Resumo – A bacia do rio Bengala, localizada no município de Nova Friburgo, Rio de Janeiro, apresenta características típicas de bacias sensíveis às enchentes. A combinação de uma urbanização localizada em áreas planas nas proximidades dos rios com eventos hidrológicos extremos faz com que a cidade tenha uma maior susceptibilidade às inundações. A solução de tal problema não é tão simples, vista a complexidade e diversidade dos padrões de escoamentos numa bacia urbana, onde a água pode escoar tanto pela própria calha do rio e pelas redes de drenagem, como até mesmo pelas ruas. Diante disso, optou-se pela modelagem matemática para a simulação de cheias na bacia, com uso do Modelo de Células desenvolvido na UFRJ, MODCEL, no qual tais padrões complexos de escoamento podem ser representados e cenários de diagnostico e prognóstico podem ser obtidos. Porém, tais modelos precisam ser confiáveis quanto à representação dos fenômenos envolvidos no processo das cheias. Para adquirir tal confiabilidade, são necessárias a calibração e validação do modelo. Este artigo apresenta o processo de calibração e validação de um modelo para simulação de cheias fluviais na bacia do rio Bengalas.
Palavras-Chave – modelo de células; modelagem hidrodinâmica; modelagem de cheias.
CONSTRUCTION AND CALIBRATION OF A HYDRODYNAMIC MODEL
FOR FLUVIAL FLOOD SIMULATION ON BENGALA RIVER WATERSHED
Abstract – Bengala River Basin, localized in Nova Friburgo municipality, Rio de Janeiro state, has typical characteristics of watersheds sensitive to floods events. The combination of urban developments located on plain areas near fluvial paths with extreme hydrological events creates cities with an increased floods susceptibility. The solution of this problem is not so simple, because of the complexity and diversity of runoff patterns in an urban watershed, where stormwater can flow both through river channel and drainage networks, as through streets surfaces. Therefore, it was decided to use a mathematical modelling for flood simulation, using a Cell Model developed in UFRJ, the MODCEL, which is able to represents these complexes flow patterns and diagnosis and prognosis scenarios can be held. However, such models must be reliable on representing the phenomena involved in the process of flooding. In order to acquire such reliability, a model calibration and validation process is required. This paper presents the calibration and validation process of a hydrodynamic model for simulation of river flooding in Bengala River basin. Keywords – cell model, hydrodynamic model, flood modelling.
1 Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-graduação e Pesquisa em Engenharia – COPPE/UFRJ – om.rezende@hidro.ufrj.br 2 Escola Politécnica – POLI/UFRJ – annabfranco@poli.ufrj.br
3Escola Politécnica – POLI/UFRJ – krishnamurti@poli.ufrj.br
4 Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-graduação e Pesquisa em Engenharia – COPPE/UFRJ – luizabfr@gmail.com 5 Escola Politécnica – POLI/UFRJ – marcelomiguez@poli.ufrj.br
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INTRODUÇÃO
As bacias de rios naturais ou canalizados, em áreas urbanas, geralmente em áreas aproximadamente planas, têm potencial para formar grandes áreas alagáveis. Ao sair da rede de drenagem, o caminho da água pode ser qualquer, ditado pelos padrões de urbanização. Calçadas marginais tornam-se vertedouros para os rios, cujas águas extravasam para as ruas e fazem destas verdadeiros canais, podendo alagar construções, parques ou praças, que então podem funcionar como reservatórios, indesejadamente, concentrando águas que não retornarão à rede de drenagem (MIGUEZ, 2001). Nessa situação, pode-se perceber que águas extravasadas podem ter comportamento independente da rede de drenagem, gerando seus próprios padrões de escoamento. Nesse contexto, percebe-se que há indicações para o uso do modelo de células.
A simulação hidrodinâmica do processo de cheias fluviais na bacia do rio Bengala, em Nova Friburgo, apresenta características que demandam a consideração das planícies marginais dos rios principais durante os eventos de cheia, pois grande parte da cidade foi estabelecida nas áreas mais planas do vale do rio Bengalas, que correspondem às planícies de inundação. Assim, o extravasamento da calha principal dos rios afeta bastante a hidrodinâmica da cheia, produzindo um efeito de amortecimento que deve ser considerado, para que os resultados de profundidades de alagamento sejam mais precisos. Para a simulação das cheias na bacia do rio Bengala foi utilizado um sistema de modelagem composto por duas ferramentas distintas e complementares. Um modelo hidrológico concentrado, tipo-chuva vazão, o Sistema HIDROFLU, e um modelo hidrológico-hidrodinâmico de células de escoamento, o MODCEL. Ambos desenvolvidos na UFRJ, no âmbito acadêmico, mas já largamente utilizados também em estudos e projetos de consultoria.
O HIDROFLU foi utilizado para simular a geração de hidrogramas de cheia, resultantes de eventos pluviométricos medidos na bacia, tendo como resultado as condições de contorno necessárias ao modelo hidrodinâmico. A ferramenta tem sua estrutura de cálculo baseada: no Cálculo do Tempo de Concentração; na Elaboração da Chuva de Projeto; na Separação da Chuva Efetiva; e na Determinação do Hidrograma de Projeto.
O MODCEL foi utilizado para simular o comportamento hidrodinâmico de um trecho da bacia do rio Bengala, onde se encontra uma grande parte da urbanização mais densa do município. O modelo permite representar os escoamentos superficiais tanto na própria calha do rio, quanto nas planícies marginais, possibilitando a construção de manchas de inundação com excelente representatividade.
METODOLOGIA
O processo de modelagem tem início no levantamento de informações necessárias para construção da base de dados do modelo matemático. Para isso, são construídos diversos arquivos contendo todas as informações necessárias para a modelagem. Essa etapa é extremamente trabalhosa e demanda grande tempo e atenção para sua construção. As informações básicas necessárias para a modelagem matemática da bacia são os dados topográficos, hidrológicos e de uso e ocupação do solo. A partir dessas informações, são realizadas três etapas para a construção do modelo: Modelagem Topográfica, Hidráulica e Topológica. A modelagem topográfica representa a superfície do terreno quanto às suas variações espaciais, verticais e horizontais. Neste caso, foram
utilizados levantamentos topobatimétricos realizados no âmbito de projetos emergências contratados pelo Instituto Estadual do Meio Ambiente (INEA) e executados pela ECOLOGUS (2011), assim como cartas topográficas da região e o MDE, que integra o projeto RJ-25 (IBGE6). Com essas informações, a bacia foi subdividida, de forma a permitir a construção de uma rede de células ligadas entre si que possa representar os diversos caminhos do escoamento superficial. Para a modelagem hidráulica, estas células são analisadas no intuito de se definirem leis hidráulicas representativas das comunicações com suas células vizinhas, capazes de simular os padrões de escoamento que ocorrem entre células (MASCARENHAS e MIGUEZ, 2002).
Para aplicação do modelo matemático, é construído um esquema topológico, que integra a rede de células, a fim de configurar todas as interações entre as células e suas posições relativas, assim como as condições de contorno necessárias ao processo de modelagem. Essa etapa é definia como modelagem topológica. Desta etapa, resultaram 238 células de superfície, sendo 48 células representando os rios, 94 células as planícies e 96 as encostas. As bacias localizadas nas encostas que apresentam área maior que 1,0km² foram simuladas como condições de contorno, num total de 17 bacias.
A Figura 1 ilustra o processo de divisão de células aplicado à bacia do rio Bengalas, a partir do reconhecimento da topografia e do traçado urbano da bacia, resultando no esquema topológico, para entrada de dados no modelo matemático, assim como o mapa de uso e cobertura do solo, utilizado para definição dos coeficientes que representam o processo de transformação de chuva em vazão. A partir da sobreposição do mapeamento do uso do solo e da divisão de células, foram calculados coeficientes de escoamento superficial ponderados, de acordo com os valores indicados pela Tabela 1.
Tabela 1. Coeficientes de escoamento superficial de acordo com tipologia da cobertura do solo, baseados em Wilken, 1978.
Uso do solo Runnoff Uso do solo Runnoff
Floresta 0,15 Reflorestamento 0,25
Agricultura (outras) 0,30 Área Urbana de Média Densidade 0,70
Vegetação Secundária em Estado Inicial 0,20 Área Urbana de Baixa Densidade 0,60
Pastagem 0,35 Afloramento rochoso 0,90
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Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística - IBGE / Diretoria de Geociências - DGC / Coordenação de Cartografia – CCAR – Disponível em:<ftp://geoftp.ibge.gov.br/modelo_digital_de_elevacao/projeto_rj_escala_25mil/> Acessado em 23 de julho de 2014.
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Figura 1. Processo de divisão de células aplicado à bacia do rio Bengala, em Nova Friburgo.
Topografia Divisão de Células
Células, topografia e traçado urbano.
CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DO MODELO
O processo de calibração e validação foi realizado a partir de dados de monitoramento do Sistema de Alerta7 do Instituto Estadual do Ambiente – INEA, composto por sete estações de monitoramento, conforme apresentado na Tabela 2. Foram selecionados os postos de Conselheiro Paulino, Olaria, Pico do Caledônia, Suspiro, Venda das Pedras e Ypu, para realização da espacialização da chuva sobre a bacia do rio Bengalas, utilizando o método dos Polígonos de Thiessen. Esse método consiste em atribuir um fator de peso aos totais precipitados em estação, proporcionais à sua respectiva área de influência. Essas áreas de influência foram determinadas no mapa da bacia, unindo os postos adjacentes por linhas retas e, em seguida traçando-se mediatrizes dessas retas formando polígonos. Os lados dos polígonos são os limites das áreas de influência de cada posto. A partir das áreas de influência, foram determinadas as chuvas para cada condição de contorno do modelo, assim como para as células de escoamento, de acordo com seu posicionamento dentro do Polígono de Thiessen.
Os eventos pluviométricos selecionados para o processo de validação e calibração do modelo da bacia do rio Bengalas foram: Calibração: das 12h00min do dia 25/12/14 às 09h45min do dia 26/12/14; Validação: das 16h30min do dia 17/12/14 às 12h45min do dia 18/12/14. Para as seções de controle, foram consideradas as estações de Venda das Pedras, Suspiro e Conselheiro Paulino, as quais possuíam dados de medição de nível d’água durante os eventos selecionados para calibração e validação do modelo. A localização dessas estações, uma no trecho de montante do rio Bengalas (Suspiro), uma no trecho de montante do córrego d’Antas (Venda das Pedras) e uma no trecho do rio Bengalas a jusante da confluência do córrego d’Antas (Conselheiro Paulino), apresenta-se como um excelente parâmetro de controle, uma vez que permite a avaliação do comportamento das cheias na bacia em suas duas entradas e em sua saída. A Figura 2 apresenta as alturas de chuva medidas nas estações do Sistema de Alerta do INEA durante os eventos utilizados para a calibração e validação do modelo.
Tabela 2. Estações de monitoramento do Sistema de Alerta do INEA em Nova Friburgo
Estação Tipo Envio Latitude Longitude Rio monitorado
Conselheiro Paulino Hidrológica GSM/GPRS 22º13'42,47"S 42º31'12,49"W Rio Bengala
Olaria Hidrológica GSM/GPRS 22º18'31,83"S 42º32'31,96"W Rio Cônego
Pico do Caledônia Pluviométrica GSM/GPRS 22º21'33,11"S 42º34'02,52"W -
Ponte E. D. Mariana Hidrológica GOES 22º12'57,2"S 42º34'14,7"W Rio Grande
Suspiro Hidrológica GSM/GPRS 22º16'46,43"S 42º32'05,36"W Rio Bengala
Venda das Pedras Hidrológica GSM/GPRS 22º16'42,47"S 42º34'53,51"W Córrego d´Antas
Ypu Hidrológica GSM/GPRS 22º17'45,09"S 42º31'35,41"W Rio Santo Antônio
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Figura 2. Alturas de chuva medidas nas estações do Sistema de Alerta do INEA, durante o evento considerado para calibração e validação, respectivamente.
Durante o processo de calibração e validação, foram ajustados os parâmetros dos modelos hidrológicos, no Sistema HIDROFLU. Os parâmetros considerados para ajuste foram:
Coeficiente β Para reduzir o efeito do superestimativa da vazão de pico, calculada por meio do Hidrograma Unitário do Método Racional, o HIDROFLU corrige as vazões calculadas através da passagem do hidrograma por um reservatório linear, ajustando um coeficiente de depleção de acordo com o método do Hidrograma Unitário Triangular (HUT) do SCS, que assume que o tempo de recessão do hidrograma será igual ao tempo de ascensão multiplicado por um fator β, usualmente adotado como 1,67. Assim, esse fator foi utilizado como um parâmetro de calibração, para acertar os picos e a forma do hidrograma de saída. Os valores base, adotados para o ajuste, foram baseados em Wanielista et al. (1997).
Coeficiente K No início de um evento pluviométrico, uma parte da chuva precipitada tende a ficar retida na cobertura vegetal, no solo, em pequenas depressões e na própria superfície da bacia. Para considerar esse efeito na simulação, o HIDROFLU possibilita o ajuste do parâmetro de abstração inicial, que poderá variar com características físicas da bacia, como a declividade, cobertura vegetal, e outras, assim como com a existência de eventos anteriores ao período de simulação. Dessa forma, é possível considerar uma bacia já saturada por chuvas precedentes ao evento que se deseja simular, reduzindo a capacidade de abstração no modelo. O ajuste do coeficiente K é muito útil para calibração de modelos, uma vez que eventos de chuva tendem a ocorrer nas épocas mais húmidas, quando há maior possibilidade de haver um evento significativo após pequenas chuvas.
Foram, ainda, reavaliados os coeficientes CN, utilizados no método de separação dos escoamentos do SCS, definido no HIDROFLU. Para isso, foram analisadas as tipologias de cobertura do solo apresentadas no mapeamento do uso do solo, comparando-as com imagens de satélite da região da bacia, possibilitando a correção de possíveis distorções do mapeamento.
Os níveis d’água nas seções de controle, resultantes do processo de calibração e validação, são apresentados Figura 3, sobrepostos ao mapa da bacia do rio Bengalas modelada, com a indicação da localização das medições. Para o evento de validação, o posto de Conselheiro Paulino não apresentava medições de nível d’água coerentes, tendo sido descartado da validação.
Figura 3. Mapa da bacia do rio Bengalas modelada, com cotagramas nos pontos de controle resultantes da simulação dos eventos de calibração e validação, assim como níveis medidos pelo Sistema de Alerta do INEA.
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CONCLUSÕES
As simulações apresentaram resultados satisfatórios, mostrando a capacidade do modelo em representar o comportamento das cheias na bacia do rio Bengalas, resultantes de distintos eventos hidrológicos. Enquanto o evento simulado para a calibração apresenta maior volume de chuva na estação do Pico do Caledônia, região de montante do rio Bengalas, o evento simulado para a validação do modelo apresenta maior volume de chuvas na estação de Venda das Pedras, no córrego d’Antas. As leituras de nível d’água na seção de controle referente à Estação de Conselheiro Paulino não se mostram consistentes, sendo consideradas para controle do processo de validação apenas as medições das Estações do Suspiro e de Venda das Pedras.
A calibração e a validação do modelo conferem maior confiabilidade para sua utilização tanto em estudos de diagnóstico da bacia, para eventos de inundações urbanas, quanto em análise de projetos propostos para mitigação dos problemas de inundação, assim como prognóstico de situações futuras, considerando alterações no uso e cobertura do solo.
AGRADECIMENTOS
Escola Politécnica – POLI/UFRJ; Laboratório de Hidráulica Computacional – COPPE/UFRJ; Fundação Coppetec; CNPq.
BIBLIOGRAFIA
ECOLOGUS Engenharia Consultiva. (2011). Serviços Emergenciais na Macrodrenagem do Município de Nova Friburgo e Projetos do Parque Fluvial no Córrego d’Antas. Instituto Estadual do Ambiente, INEA-RJ.
MASCARENHAS, F.C.B.; MIGUEZ, M.G.. (2002). Urban Flood Control through a Mathematical Cell Model. Water International, 27; pp. 208-218.
MIGUEZ, M.G.. (2001). Modelo Matemático de Células de Escoamento para Bacias Urbanas. Tese de doutorado. COPPE – Universidade Federal do Rio de Janeiro, Brasil.
WANIELISTA, M; KERSTEN, R.; EAGLIN, R.. (1997). Hydrology: Water Quantity and Quality Control, 2nd Edition, Wiley and Sons, Inc., New York, NY.
