ARTIGO DE REVISÃO
RIBEIRO, Cristiano Cavalcanti Barros [1]
RIBEIRO, Cristiano Cavalcanti Barros. Aplicabilidade Do Modelo Swmm No Planejamento Da Drenagem De Bacias Urbanas Brasileiras. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 03, Ed. 12, Vol. 07, pp. 100-112 Dezembro de 2018. ISSN:2448-0959
RESUMO
Em um contexto do crescimento demográfico e da urbanização desordenada, além da, insuficiente fiscalização do uso dos recursos naturais pelo poder público constatados pela supressão da vegetação ciliar e o aumento da impermeabilização do solo, com o aumento do escoamento superficial e a diminuição da infiltração natural as águas pluviais nasce ações de parcelamento do solo, dos programas habitacionais e saneamento no pais, mas ainda existe carência de políticas públicas efetivas de planejamento urbano incluindo obras de drenagem conduzem a frequentes inundações urbanas. Este trabalho teve como objetivo avaliar e apresentar quatro estudos do modelo SWMM em bacias hidrográficas brasileiros como alternativa para o monitoramento de bacias urbanas.
Palavras-chave: Planejamento Urbano, Monitoramento Hidrológico, Inundações Urbanas, Drenagem Pluvial.
INTRODUÇÃO
O SWMM, Storm water manegement model, (Em português: Modelo de gestão de drenagem urbana) foi desenvolvido pela EPA – Environmental Protection Agency (Em português: Agência de proteção ambiental dos Estados Unidos) em meados de 1971, desde então, vem sofrendo atualizações e modificações estando atualmente na versão 5.1.007. Este software baseia-se no modelo dinâmico chuva-vazão que simula a quantidade e qualidade do escoamento superficial das águas pluviais em áreas urbanas sendo usado amplamente no mundo, sobretudo na América do Norte através de universidades e consultores.
A aplicabilidade é vasta para tal simulador, planejamento, análise e projetos de sistemas de drenagem em áreas urbanas, sistemas coletores de águas residuárias podendo ser utilizado para simular um único evento chuvoso ou para simulação de longo prazo (Contínua), podendo também ser usado para simulação de áreas não urbanas.
É um modelo bastante difundido e de uso consolidado, utilizado em planejamento, análise e projetos ligados ao escoamento superficial e sistemas de drenagem, contemplando também aplicações voltadas a áreas não urbanas (ROSSMAN, 2010).
Com base em dados de precipitação, dados meteorológicos e a partir das características da área estudada, gera valores de saída quanti e qualitativos (HUBER e DICKINSON, 1988).
É um modelo dinâmico de simulação chuva-vazão que é utilizado primariamente, mas não exclusivamente, para áreas urbanas, para eventos únicos ou simulação contínua (LIDDG, 2005).
2. MATERIAIS E MÉTODOS
A pesquisa teve caráter de levantamento bibliográfico, primordialmente foi levantado as bases teóricas da matéria, e assim, foi levantado quatro estudos de casos brasileiros da aplicação da modelagem a partir do Storm water manegement model (SWMM) em bacias brasileiras, relacionados na Tabela 01.
Para a seleção das fontes, foram consideradas como critério de inclusão as bibliografias que abordassem a temática de forma relevante, levando em consideração a leitura e interpretação de textos científicos e técnicos reconhecidos pela contribuição ao tema proposto de forma direta e com grande importância na área acadêmica.
Tabela 01 – Estudos de caso levantados (Autor, 2018)
| Estudo de caso | Município | Estado |
| 01 | Santa Maria | Rio Grande do Sul |
| 02 | Goiânia | Goiás |
| 03 | Belém | Pará |
| 04 | Joinville | Santa Catarina |
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Segundo HUBER e DICKINSON (1988), o modelo SWMM está dividido em nove blocos ou módulos, sendo cinco de serviços e quatro computacionais.
O modelo SWMM está estruturado em vários blocos ou também chamados módulos, o bloco executive faz o controle e a comunicação entre os outros blocos. Dentre os módulos computacionais o bloco runoff é o responsável pela transformação chuva-vazão, ou seja, ele gera o escoamento superficial. O bloco transport propaga esse escoamento através da rede de drenagem pelo método da onda cinemática, já o bloco extran modela condutos e canais por meio da hidrodinâmica e, por fim, o módulo storege/treatment é o responsável pelo tratamento e armazenamento da água.
O bloco de serviço está dividido em o bloco statistics que é responsável pela analise estatística dos resultados, o bloco graph que permite com os dados de saída plotar gráficos, o bloco combine que possibilita a combinação dos arquivos da interface, o bloco rain que avalia os dados de entrada das precipitações e, por fim, o bloco temperature que verifica os dados de entrada da temperatura.
Os blocos computacionais são os módulos de cálculo responsáveis, por exemplo, pela transformação da precipitação em vazão, propagação e cálculo da carga de poluentes. Os módulos de serviço têm funções diversificadas, como análise de dados e apresentação de resultados (MELLER, 2004). Fluxograma da estrutura dos módulos do SWMM a seguir:
Figura 01 – Relação dos módulos estruturais do SWMM (Huber & Dickinson 1992, modificado por Garcia 2005).
3.1 APLICABILIDADE DO MODELO
A versatilidade do software permite diversos tipos de estudo, o manejo de águas pluviais e residuárias têm o principal foco, ou seja, uma ênfase em redes de drenagem.
Segundo o Manual do usuário SWMM, dentre as aplicações típicas pode-se mencionar:
- Concepção e dimensionamento de componentes da rede de drenagem para controle de inundações;
- Dimensionamento de estruturas de retenção e acessórios para o controle de inundações e a proteção da qualidade das águas;
- Delimitações de zonas de inundações de leitos naturais;
- Concepção de estratégias de controle para minimizar o transbordamento de sistemas unários e mistos;
- Avaliação de impacto de contribuições e infiltrações sobre o transbordamento de sistemas de drenagem de águas residuais;
- Geração de poluição difusa para estudos de lançamento de efluentes (Carga de contaminantes);
- Avaliação da eficácia das BMPs (Boas práticas de manejo) para reduzir o carregamento de poluentes durante a chuva.
3.2 CALIBRAÇÃO DO MODELO
A calibração é uma das mais importantes etapas na modelagem hidrológica, a obtenção dos parâmetros internos do modelo a partir dos dados observados é um processo no qual o ajusta para mais próximo das características reais, para COLLODEL (2009) a calibração pode ser feita de forma manual ou automática, sendo que o primeiro caso é por tentativa-erro, ou seja, o operador muda os valores dos parâmetros a fim de que coincidam com os resultados observados, já o segundo é a partir de funções no qual se utiliza algoritmos para encontrar valores ótimos para as funções, essa segunda maneira é mais interessante pelo fato de demandar menos tempo, principalmente quando se usa algoritmos genéricos.
Verificação é o processo de conferência da validade dos parâmetros calibrados. Por meio de dados observados, distintos dos utilizados para calibração, é possível realizar simulações com o intuito de comprovar a representatividade dos parâmetros calibrados (HUBER e DICKINSON, 1988).
Durante o levantamento bibliográfico sobre a calibração do modelo SWMM foi evidenciado poucos estudos sobre a calibração automática utilizando algoritmos de otimização, primeiramente GARCIA (2005) e BASTOS (2007) realizaram a calibração do SWMM por tentativa e erro durante estudos da bacia hidrográfica do Arroio Cancela e para as bacias do Alto da Colina e Sítio do Tio Pedro, ambas localizados no município de Santa Maria (RS). Já COLLODEL (2009) avaliou a bacia hidrográfica do Córrego do Gregório em São Carlos (SP) variando o nível de detalhamento da bacia empregando uma calibração semi-manual mostrando resultados satisfatórios.
3.3 SENSIBILIDADE DO MODELO
De fato, como já foi mencionado antes, a aplicabilidade de tal modelo é extensa tornando a categorização da modelagem necessária, em geral, três: Geração (Processos hidrológicos associados ao meio urbano), transporte (Modelagem hidráulica a partir do fluxo do escoamento) do escoamento superficial e cargas de poluentes associadas ao escoamento (Produção e evolução dos poluentes relacionados a água).
3.3.1 PROCESSOS HIDROLÓGICOS ASSOCIADOS AO MEIO URBANO
Segundo o manual do usuário, o SWMM considera vários processos hidrológicos dos quais são principais:
- Precipitações variáveis no tempo;
- Evaporação de águas empoçadas;
- Acumulação de degelo da neve;
- Interceptação de precipitações por armazenamento em depressões;
- Infiltração das precipitações em camadas do solo não saturadas;
- Percolação da água infiltrada nas camadas dos aquíferos;
- Troca de fluxo entre os aquíferos e o sistema de drenagem;
- Modelagem do fluxo superficial por meio de reservatórios não-lineares;
- Captação e retenção das precipitações e dos escoamentos em diversos dispositivos de baixo impacto.
3.3.2 MODELAGEM HIDRÁULICA A PARTIR DO FLUXO DO ESCOAMENTO
A modelagem hidráulica descrita no manual do usuário possibilita a capacidade de:
- Manipular redes de tamanho ilimitado;
- Utilizar uma ampla variedade de geometrias para os condutos, tanto abertos como fechados, assim como para os canais naturais;
- Modelar elementos especiais como unidades de armazenamento e tratamento, divisores de fluxos, bombas, vertedores e orifícios;
- Considerar escoamentos externos quanto à qualidade e quantidade, sejam eles superficiais ou provenientes de trocas com aquíferos;
- Infiltrações no sistema de drenagem devido à precipitação RDII (Rainfall-Dependent Infiltration/Inflow);
- Águas residuárias em tempos secos (Sistemas unitários ou mistos de drenagem) e outros definidos pelo usuário;
- Utilizar tanto o método da onda cinemática como o método completo da onda dinâmica para a propagação dos fluxos;
- Modelar distintos regimes de fluxo, tais como remanso, entrado em carga, fluxo reverso e alagamentos;
- Aplicar controles dinâmicos, definidos pelo usuário, para simular o funcionamento das bombas, a abertura de orifícios ou na posição da crista de vertedores.
3.3.3 PRODUÇÃO E EVOLUÇÃO DOS POLUENTES RELACIONADOS A ÁGUA
A partir do número de substâncias relacionadas à qualidade da água definida pelo operador, o manual do usuário permite a modelagem dos seguintes processos:
- Acumulação do poluente durante o tempo seco, para diferentes usos do solo;
- Lixiviação do agente poluente como função do tipo de uso do solo;
- Contribuição direta decorrente da própria chuva;
- Redução da poluição acumulada devido à limpeza da rua;
- Redução da carga de poluentes arrastados pela enxurrada devido a boas praticas de manejo (BMPs);
- Entrada de águas residuárias em tempo seco e outras contribuições externas especificadas pelo usuário em qualquer ponto do sistema de drenagem;
- Propagação de substâncias associadas á qualidade da água ao longo do sistema de drenagem;
- Redução na concentração do poluente por meio de tratamentos em reservatórios ou devido a processos naturais em tubulações e canais
3.4 ESTUDO DE CASO 01 – MUNICÍPIO DE SANTA MARIA (RS)
A área de estudo realizou-se na bacia hidrográfica do Cancela, afluente do Arroio Cadena. Situa-se na região urbana do município de Santa Maria (RS), o monitoramento da bacia realiza-se a partir de uma estação fluviográfica “Cancela” localizada no exutório da bacia e uma estação pluviográfica “Sest Senat” localizada na região central da bacia.
Figura 02 – Localização da bacia hidrográfica do Cancela (BASTOS, 2007).
A bacia foi discretizada em dezoito sub-bacias e quatorze trechos para que se aproxime melhor da realidade, para melhor representatividade foi considerada as variações da topografia e da homogeneidade das características urbanas.
Figura 03 – Discretização das sub-bacias do Cancela (BASTOS, 2007).
Para os eventos da simulação foi estabelecido três grupos de parâmetros, o grupo um (eventos de menor intensidade e maior frequência de ocorrência), grupo dois (eventos de maior intensidade e menor frequência) e o grupo três sendo a média das duas faixas anteriores de eventos. A calibração para as duas faixas de eventos foi feita de forma independente para melhor representatividade dos eventos, e os parâmetros utilizados foram apenas os hidrológicos: largura do escoamento, taxa de área impermeável, parâmetros de infiltração de Horton e a capacidade de armazenamento das sub-bacias. Os parâmetros hidráulicos do rio foram mantidos fixos durante a simulação.
Em geral o modelo apresentou bom ajuste para os eventos simulados, além disso, concluiu-se também que a calibração realizada para um conjunto de eventos de características semelhantes, visando eventos específicos, como eventos de cheia apresentam resultados melhores do que se a calibração for feita para eventos de diferentes magnitudes, mesmo com uma frequência maior de eventos.
3.5 ESTUDO DE CASO 02 – MUNICÍPIO DE GOIÂNIA (GO)
Com o modelo SWMM objetivou-se a análise do escoamento superficial direto a partir de uma chuva de projeto ao longo da área, sendo que a região escolhida para o estudo de caso foi a bacia hidrográfica do Córrego Samambaia localizado no município de Goiânia (GO).
Como dados de entrada foi utilizado a precipitação e suas características tais como: Ocorrência, intensidade e tempo de retorno além da caracterização da bacia e de sua rede de drenagem.
A bacia apresenta características rurais apesar de estar passando por um processo de urbanização, visível em vários pontos da bacia, sobretudo na margem esquerda.
Figura 04 – Localização do Córrego Samambaia (ROCHA, 2013).
Para a simulação foi considerado dois casos, a bacia discretizada em cinco sub-bacias e a bacia concentrada. Durante a discretização buscou-se a subdivisão em áreas homogêneas e a estimação da declividade de cada sub-bacia e para isso foi utilizado um modelo digital de elevação.
Figura 05 – Bacia hidrográfica do Córrego Samambaia discretizada em cinco sub-bacias (ROCHA, 2013).
Figura 06 – Bacia hidrográfica do Córrego Samambaia de forma concentrada (ROCHA, 2013).
A simulação foi efetuada com os dados de precipitação, sendo calculado a precipitação para cada minuto de chuva até o tempo de concentração calculado de 76 mim possibilitando a construção do hidrograma de projeto e para o tempo de retorno de cinco anos a intensidade pluviométrica resultante foi de 53,410mm/h.
Figura 07 – Hietograma para precipitação de projeto para a bacia hidrográfica do Córrego Samambaia (ROCHA, 2013).
Concluiu-se que o modelo SWMM se adequa mais a modelação o sistema de drenagem de bacias urbanas, que os hidrogramas para bacias discretizadas apresenta melhor ajuste dos resultados comparado a bacias concentradas, ou seja, bacias discretizadas se aproximam melhor da situação real da bacia hidrográfica.
3.6 ESTUDO DE CASO 03 – MUNICÍPIO BELÉM (PA)
A área de estudo especificamente é o canal urbano da Antônio Baena, localizado na bacia hidrográfica do Una, na região metropolitana de Belém (PA) visto que é uma área densamente urbanizada que conta com o uso intenso do solo e com poucas áreas permeáveis gerando grande escoamento superficial favorecendo problemas pertinentes.
Para melhor simulação a bacia foi dividida em áreas menores na tentativa de representar essa heterogeneidade durante a modelagem, dividindo a bacia em áreas semelhantes entre si.
A respectiva bacia foi dividida foi discretizada em oito sub-bacias, considerando as variações topográficas e a homogeneidade das características urbanas constituindo uma área de 4.599,5 hectares.
Figura 08 – Bacia do Uma – Canal Antônio Baena (LIMA, 2013)
Para a realização da simulação foi considerado dois tipos parâmetros, as medidas “in loco” tais como as cotas do canal e a velocidade de vazão e o segundo parâmetro foi a diminuição do leito do canal em função do desassoreamento. Para o cálculo da velocidade de vazão foi utilizado o método do flutuador de superfície com peças de isopor e para o cálculo das cotas do canal foi utilizado uma vara de ferro com seis metros de comprimento, trena de cinquenta metros e prumo.
Foi realizado duas simulações com o modelo computacional SWMM, a primeira situação com o canal assoreado (Condição do canal em 2013) e segunda após a limpeza do canal. O primeiro cenário foi considerado que o estado do canal era ruim (declividade de 0,0004m/m e vazão inicial de 8,51m³/s) e segundo a simulação realizada foi constatado que um evento de 6 horas de chuva com um volume de 56mm as cotas máximas do canal foram atingidas provando que o canal não atende as exigências que o mesmo é submetido.
No segundo evento, considerou os mesmos dados da série temporal do primeiro cenário, entretanto foi realizada a limpeza reduzindo o nível de assoreamento em cinquenta centímetros, após a simulação foi comprovado real melhora visto que apenas dois trechos ficaram alagados.
A Bacia Hidrográfica do Una, com aproximadamente 36,64 km², o que corresponde a 60% da área da cidade de Belém, sofreu grande expansão urbana, principalmente a partir da década de 50 do século passado. No entanto, esta expansão não se fez acompanhar de um planejamento adequado. Isto resultou na impermeabilização do solo, ocupação de áreas impróprias do ponto de vista geológico-geotécnico legal, canalização e revestimento de diversos cursos d’água, principalmente a partir do Projeto de Macrodrenagem da Bacia do Una (com início das obras em 1993), levando assim a modificações significativas na geometria natural da rede de drenagem (DIAS, 1996).
Figura 09 – Transbordo do Canal da Antônio Baena (Alan da F. Sotão, 2013).
3.7 ESTUDO DE CASO 04 – MUNICÍPIO DE JOINVILLE (SC)
Aplicou-se o modelo hidrológico de chuva-vazão em uma pequena bacia em processo de urbanização do município de Joinville (SC). A bacia em questão fica na porção sul do município, às margens da BR-101 totalizando 2,76 Km², apresentando declividades suaves em grande parte de sua área tendo cotas variando entre 7 a 115m.
Figura 10 – Localização da bacia UFSC (VESCONVI, 2011)
Para efeito de comparação a bacia foi dividida em três diferentes configurações, a primeira mais detalhada contando com dez sub-bacias e sete canais, a segunda com quatro bacias e quatro canais e por último a bacia como um único elemento.
Figura 11 – Níveis de discretização da bacia UFSC (VESCONVI, 2011)
Para ser realizada a simulação foi estipulada uma chuva de projeto, gerada para um evento com um período de recorrência de cinquenta anos (Tempo comumente utilizado em estudos dessa natureza) a partir dos dados de precipitação das curvas de intensidade, duração e frequência (a intensidade foi mantida constante durante toda a sua ocorrência).
Tabela 02 – Picos de vazão em m³/s para diferentes durações de chuva (VESCONVI, 2011).
Como era esperado a alteração na discretização da bacia ocasionou alterações sistemáticas nas vazões de pico, nas configurações um, dois e três elas foram, respectivamente: 30,66, 28,51 e 25,24m³/s e os tempos de ascensão nas configurações um e dois foram de cinquenta minutos já na configuração três houve a ascensão de dez minutos mais cedo. O escoamento superficial teve uma queda gradativa conjuntamente com a vazão máxima.
Figura 12 – Hidrogramas resultantes para o modelo SWMM (VESCONVI, 2011)
4. CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou quatro aplicações de um mesmo modelo hidrológico e analisou suas respostas, a partir dos resultados são apresentadas as seguintes considerações:
- O modelo SWMM (Storm Water Management Model) apresentou bons resultados na simulação dos eventos através da calibração de seus parâmetros, para as bacias hidrográficas estudadas.
- A medida que a bacia passa a ser simplificada, os parâmetros que representam suas características físicas tornam-se cada vez mais imprecisas e mais persuasivos na resposta do sistema.
- A discretização simplificada da bacia ocasiona maior vazão de pico, quando comparada com uma discretização detalhada. Deve-se tomar cuidado com na simplificação dos sistemas.
- O modelo SWMM é capaz de estudar o comportamento de bacias urbanas brasileiras, sendo possível identificar pontos críticos passíveis de alagamentos e serem tomados as cabíveis medidas mitigadoras (obras de drenagem).
Recomenda-se para futuros trabalhos, analisar situações a partir do modelo não calibrado para determinar qual modelo é fiel a realidade como a estimativa inicial.
REFERÊNCIAS
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Collodel, M.G. (2009). Aplicação do modelo hidrológico SWMM na avaliação de diferentes níveis de detalhamento da bacia hidrográfica submetida ao processo de transformação chuva-vazão. Dissertação de Mestrado – Escola de Engenharia, Universidade de São Paulo, São Carlos.
DIAS, Mário Benjamin. Urbanização e Ambiente Urbano no Distrito de Icoaraci, Belém-Pa. São Paulo: FFLCH, 2007. Dissertação de mestrado 314 p.
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HUBER, W. C., DICKINSON, R.E. Stormwater management model Version 4, User’s Manual. EPA 600/3 88 001a. Athens (GA): US EPA; 1988.
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LIMA, A. C. M.; VINAGRE, M.V.A.; MULLER, E. A.. Barbosa Sotão. Aplicação do simulador hidrológico SWMM em um canal da bacia hidrográfica do Una-Belém-PA. 2013. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Civil) – Universidade da Amazônia.
MELLER, A., 2004. Simulação Hidrodinâmica Integrada de Sistema de Drenagem em Santa Maria-RS. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil, Dissertação (Mestrado Engenharia).
ROCHA, Nayda. Planejamento urbano da bacia do Córrego Samambaia (Goiânia – GO) utilizando o SWMM – Storm Water Management Model. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Goiás, Escola de Engenharia Civil, 2013., 90 f.
ROSSMAN, L. A., Storm Water Management Model. Version 5.0. National Risk Management Research Laboratory, United States Environmental Protection Agency, Cincinnati, Ohio. 2010.
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VESCOVI, J., M. Aplicação de dois modelos hidrológicos em uma pequena bacia rural do município de Joinville (SC). Florianópolis: UFSC/CTC/ENS, 2011. 84 f. Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Sanitária e Ambiental – UFSC.
[1] Graduado em Engenharia Civil – Universidade Federal do Vale do São Francisco.
Enviado: Novembro, 2018
Aprovado: Dezembro, 2018
