Estimativa de cálculo da vazão máxima da Bacia do Rio Verruga para auxílio no combate às enchentes em Vitória da Conquista – BA

ARTIGO ORIGINAL

JOSA, Rodrigo Nascimento ^[1], FERRAZ, Vilfredo Dutra ^[2], GAMA, Heitor Oliveira ^[3], SOUZA, Lucas Carvalho de ^[4], SILVA, Ana Lara Trindade da ^[5], SOTERO, Camila da Silva ^[6]

JOSA, Rodrigo Nascimento. Et al. Estimativa de cálculo da vazão máxima da Bacia do Rio Verruga para auxílio no combate às enchentes em Vitória da Conquista – BA. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 05, Ed. 06, Vol. 08, pp. 05-23. Junho de 2020. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-civil/estimativa-de-calculo

RESUMO

O objetivo deste artigo é apresentar a estimativa da vazão de cheia da bacia hidrográfica do rio verruga, na cidade de Vitória da Conquista, e analisar o volume máximo de água escoado pela bacia, na maior precipitação dos últimos 20 anos. Visto que é importantíssimo prever eventos extraordinários, para que sejam tomadas medidas eficazes ao combate desses eventos. Foi utilizado o programa Google Earth para verificação das curvas de nível e delimitação da bacia, e para obtenção dos resultados foram utilizados dados meteorológicos, características da bacia e de ocupação do solo e métodos de cálculo de vazão. Por fim, o volume de água analisado está associado à ausência de drenagem em determinados pontos, acrescidos de resíduos sólidos carregados pelas enxurradas que entopem os sistemas de drenagem. Esses fatores correlacionados culminam no avolumamento das enchentes. Faz-se necessário então, medidas de diminuição do escoamento da bacia, como a construção de drenagens em pontos estratégicos e bacias de detenção em pontos mais altos da bacia hidrográfica, impedindo o avanço da água para regiões mais baixas, diminuindo assim, a ocorrência das inundações.

Palavras-chave: Drenagem urbana, bacia hidrográfica, escoamento superficial, enchentes urbanas, vazão de cheia.

1. INTRODUÇÃO

O homem transforma o ambiente em que vive a fim de atender às suas necessidades. Essa transformação do espaço natural, muitas vezes, causa consequências severas. O processo de urbanização através da construção de edifícios, pavimentações e obras em geral, reduz drasticamente o processo de infiltração da água da chuva e diminui o nível do lençol freático. A redução da permeabilidade do solo traz consigo o aumento do escoamento superficial, que gera fenômenos indesejados como as enchentes urbanas. Esses fenômenos são agravados pelo acúmulo de lixo e entulho, que ao serem arrastados pela água da chuva entopem os dispositivos de drenagem e atenuam a capacidade do sistema de atender ao volume de água que é escoado.

O aumento das áreas impermeáveis seguidas de uma má gestão de drenagem urbana, resultou no aumento das inundações em períodos de chuvas intensas, ocasionando a elevação dos transtornos e prejuízos ao meio ambiente e à população.

A finalidade do artigo é apresentar uma estimativa de escoamento da bacia hidrográfica do rio verruga, na cidade de Vitória da Conquista, analisando o volume de água escoado pela bacia no período de maior precipitação dos últimos 20 anos, com o intuito de tomar medidas de prevenção a fim de minimizar as ocorrências de enchentes futuras.

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 CICLO HIDROLÓGICO

Righetto (1998), define ciclo hidrológico como um processo de evaporação, condensação, precipitação, detenção e escoamento superficial, infiltração, percolação da água no solo e nos aquíferos, escoamentos fluviais e interações entre esses componentes, que ocorrem de forma natural.

Em determinados períodos a natureza trabalha com excessos, ora provoca cheias que excedem a capacidade dos cursos d’água, ocasionando inundações, ora trabalha com capacidade reduzida ou inexistente. Tais situações adversas são a base de análise para projetos de engenharia hidráulica, para minimizar os efeitos extremos, que quando não previstos provocam situações calamitosas. (Finkler, 2012)

2.2 BACIA HIDROGRÁFICA

Segundo Tucci (1993), bacia hidrográfica é uma área que apresenta diferentes níveis topográficos, fazendo com que o volume de água das precipitações possa escoar pelo exutório para uma determinada direção.

Novaes (2008), define:

Bacia hidrográfica é uma espécie de área ou superfície, côncava, bem irregular, cujo perímetro é definido, topograficamente, pelos elementos naturais de cotas mais altas de seu relevo, chamados de divisores topográficos. (Novaes 2008, pg. 20).

2.2.1 DELIMITAÇÃO DA BACIA

Sperling (2007, p. 60-63) (apud Finkler, 2012), diz que as etapas a serem seguidas para a delimitação manual de bacias hidrográficas são:

a) Determinar o exutório, local mais baixo da bacia, onde se inicia a delimitação;

b) Intensificar a delimitação do leito da água principal, secundário e os que cortam as curvas de nível, da mais elevada para as mais baixas;

c) Há necessidade de analisar se as precipitações que caem no topo dos morros, irão escoar para o exutório em estudo, caso a inclinação esteja voltada ao sentindo contrário é pertencente a outra bacia;

d) A diferenciação dos talvegues para os divisores de água é necessária para facilitar a definição dos limites. O divisor de água é o limite de captação entre a bacia estudada e uma outra, em que sua inclinação está voltada para o exutório, enquanto, os talvegues possuem uma inclinação contrário ao exutório e acumulam as precipitações que escoam; e

e) Ao final, a bacia vai ter sua delimitação voltada pra o exutório.

2.3 IMPACTOS DA URBANIZAÇÃO

A urbanização gera um aumento de áreas impermeáveis, crescendo os picos de cheia e sua frequência para a mesma precipitação, também causa o aumento da velocidade d’água e a formação de sedimentos e resíduos sólidos que escoam para a drenagem. (Tucci, 1997).

Devido ao aumento das áreas impermeáveis nos grandes centros urbanos, houve o crescente aumento das inundações que são observadas com frequência em períodos de chuvas.

Segundo Tucci (1999), os princípios básicos do controle de enchentes existentes em áreas naturais ou urbanizadas, têm sido executados de maneira desacertada com alguns danos para os cidadãos. Uma vez que há desorganização e imperícia dos planejadores sobre controle de enchentes e falta de educação por parte da comunidade, faz com que haja necessidade de um procedimento eficaz para atenuação dos impactos nos recursos hídricos é a inserção do plano de drenagem pluvial.

2.4 SISTEMAS DE DRENAGEM URBANA

As precipitações escoam sobre superfícies, que podem ser bem definidas ou não topograficamente. Ao urbanizar uma área o curso das enchentes passa a ser delimitado pelos traçados das vias, levando a um comportamento distinto do seu natural. Drenagem é a denominação de instalações que são atribuídas ao escoamento do excesso de água, em rodovias, zonas rurais ou urbanas. Compreendendo as medidas que devem ser tomadas para diminuição dos danos e riscos em detrimentos das inundações que a população está submetida (Cardoso, 1993). Conjunto de medidas que visam minorar os riscos a que comunidade está exposta, reduzir os danos provenientes das enchentes e proporcionar o crescimento urbano de maneira planejada e sustentável (Tucci, 1993).

O sistema de macrodrenagem é o processo de escoamento no “fundo do vale”, enquanto a microdrenagem é o sistema encarregado por captar a água pluvial e conduzi-la até o sistema de macrodrenagem, (Cardoso, 1993).

2.4.1 MACRODRENAGEM URBANA

De acordo com Tucci (1993), a macrodrenagem são intervenções nos fundos dos vales, que mesmo não existindo cursos d’água perene são bem definidos, responsáveis pela coleta de águas pluviais de áreas que possuem ou não sistema de microdrenagem. Segundo o MDU (2002), a macrodrenagem abrange sistemas captadores de vários sistemas de microdrenagem, engloba áreas maiores que 4 km² ou 400 ha. Devendo ser dimensionado para comportar precipitações superiores às de microdrenagem com danos e prejuízos à comunidade.

Figura 1: Sistema de macrodrenagem.

2.4.2 MICRODRENAGEM URBANA

Para o MDU (2002), microdrenagem é um sistema de canais pluviais, nos loteamentos ou rede primária urbana, que é dimensionado para receber o escoamento das águas pluviais. Em Tucci (1993), as terminologias usadas no dimensionamento do sistema pluvial, são: Galeria: canais públicos designados a encaminhar as precipitações advindas das bocas de lobo ou ligações privadas; Poço de Visita: elementos implantados em pontos estratégicos do sistema de galerias, permitindo alteração de direção, declividade e diâmetro, e inspeção das canalizações; Trecho: parcelas de galerias que se encontram entre dois poços de visita; Boca de Lobo: dispositivos situados em pontos estratégicos nas sarjetas para captação das águas das chuvas; Tubos de Ligação: canalizações designadas a conduzir as águas captadas pelas bocas de lobo, para galerias ou poços de visita; Meio Fio: elementos de concreto ou pedra utilizados para delimitar a fronteira entre o passeio e a rua; Sarjetas: faixas de via pública contígua ao meio fio, formando uma calha coletora das precipitações que incidem sobre as ruas e para elas escorrem; Sarjetões: calhas situadas no encontro das vias públicas e formadas pela própria pavimentação, com intuito de orientar o fluxo d’água que escoam pelas sarjetas; Condutos Forçados: conduz as águas superficiais sem que seja preenchido a seção transversal das tubulações; e Estações de Bombeamento: responsável por remover a água de um canal de drenagem para outro, em nível mais elevado.

Figura 2: Sistema de microdrenagem.

2.5 MEDIDAS DE CONTROLE DE DRENAGEM

Segundo Tucci (2003), a classificação das medidas de controle dos componentes de drenagem em medidas, são divididas em: fonte – trata-se do controle, em nível de lote, da vazão máxima, além de empregar áreas de infiltração para captar águas que vem de área impermeáveis, recuperando a capacidade de infiltração da bacia, medidas essas que reduzem os danos de poluição; microdrenagem – medidas utilizadas em nível de loteamento, as detenções, que são reservatórios urbanos mantidos secos em locais incorporados ao meio ambiente; e macrodrenagem – controle dos principais corpos d’água urbanos, as retenções, reservatórios que possuem lâminas d’água usados para controle de qualidade da água, volume e pico de escoamento.

2.6 PLANOS DIRETORES DE DRENAGEM URBANA

De acordo com Tucci (2003), o plano diretor tem que ser elaborado com base em medidas não-estruturais, para controle de novos desenvolvimentos, e estruturais por sub bacia urbana, evitando danos presentes na bacia em uma esfera de desenvolvimento econômico e danos de projeto. Pode-se incorporar essa legislação no plano diretor urbano ou ainda nos decretos municipais específicos.

2.7 ESTUDOS HIDROLÓGICOS: PRECIPITAÇÃO MÉDIA

Bertoni e Tucci (2002) (apud Camurça, 2011, pg. 18), define a precipitação média numa área como uma lâmina de água constante captada por essa área em um determinado tempo, existindo uma média diária, mensal ou anual. Para o cálculo precisa ser observado os postos dentro de tal superfície e/ou em sua vizinhança, os principais métodos de cálculo são: o método da média aritmética; o método de Thiessen, método das isoietas e inverso quadrado da distância.

Barbosa (2007), diz que para o cálculo de precipitação média é fundamental uma análise em sua área de interesse e arredores, considerando a altura da água na área de interesse em relação a um período de tempo (hora, dia, mês, ano, entre outros), podendo ser utilizado alguns métodos para esse cálculo: método aritmético, método de Thiessen e método de isoietas.

A drenagem das bacias hidrográficas pode ser dividida em três fatores: precipitação – é caracterizada por sua intensidade (relaciona a altura pluviométrica e a precipitação), frequência, altura pluviométrica (mede a altura da lâmina de água da chuva) e duração (tempo que ocorre); infiltração e escoamento superficial (Barbosa, 2007).

2.8 CIDADE DE VITÓRIA DA CONQUISTA

Vitória da Conquista é um município baiano, localizado a 503 km da capital do estado, sendo limitante com outros 8 municípios. De acordo com fontes do IBGE, em 2019, possui uma população estimada de 338.480 habitantes, com densidade demográfica de 91,41 (hab./km²) e território de 3.254.186 km². Seu relevo é pouco acidentado na parte mais alta, levemente ondulado, possuindo pequenas elevações de topos arredondados. Possui vales largos e desproporcionais aos estreitos cursos d’água. É uma cidade de clima tropical, devido a sua altitude, registrando temperaturas mais amenas em relação a outras cidades do estado. As “chuvas de neblina” ocorrem entre abril e agosto, enquanto as “chuvas das águas” se intensificam nos meses de outubro a março. Suas características são de uma região planáltica, sendo uma área de interflúvio, servindo de divisor de águas das bacias do Rio de Contas e Rio pardo, os rios contribuintes destas bacias, destacando-se: Rio Verruga, Riacho Muritiba, Córrego Lagoa de Baixo e Riacho Santa Rita.

3. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS

A bacia hidrográfica escolhida foi a do rio verruga, que percorre toda a extensão do centro de Vitória da Conquista e tem seu exutório nas proximidades da avenida Bartolomeu de Gusmão. Esta área da cidade foi escolhida por apresentar inundações constantes em períodos de chuva. Para visualização da região foi utilizado o programa Google Earth. Na obtenção das curvas de nível foi delimitada uma área e gerado um arquivo KML no próprio software. Usando o site Earth Explorer, foi gerado um arquivo de elevação (SRTM), inserido no programa QGIS para gerar as curvas de nível. Em seguida, anexou-se o arquivo do QGIS ao Google Earth. Para a obtenção dos contornos utilizou-se o método de delimitação de bacia através das curvas de nível, a área obtida foi 6,51km².

Figura 3: Área de Contribuição da Bacia.

Por se tratar de uma bacia cuja área encontra-se entre os valores de 2 a 200 km², o método utilizado para o cálculo da vazão de cheia foi I-Pai-Wu.

Figura 4: Diagrama das Metodologias Para Estimativa de Vazões de Enchente.

A (1) equação do método I-PAI-WU, é dada por:

Onde:

Q = vazão de cheia (m³/s);

I = intensidade de chuva (mm/h);

C = coeficiente de escoamento superficial;

A = área da bacia (km²);

K = coeficiente de distribuição espacial da chuva (%).

O coeficiente de escoamento superficial (C) ou coeficiente “run-off” é um valor estimado com base nas características da bacia, que representa o grau de impermeabilização ou urbanização. Quanto menor a capacidade de infiltração do solo, maior o volume escoado, resultando num maior coeficiente (C). Para o cálculo é necessário o uso das seguintes fórmulas.

Onde:

C = coeficiente de escoamento superficial;

C1 = coeficiente de forma da bacia;

C2 = coeficiente de escoamento volumétrico, função do grau de impermeabilização do solo, cobertura ou tipo de solo e uso do solo;

F = fator de forma da bacia hidrográfica, relaciona a forma da bacia com um círculo de mesma área (mede a taxa de alongamento da bacia);

A = área da bacia (km²);

L = comprimento do talvegue (km).

Para obter o coeficiente de escoamento volumétrico (C2), utiliza-se a tabela (1):

Tabela 1: Diagrama das Metodologias Para Estimativa de Vazões de Enchente.

Foi feita a ponderação dos coeficientes das áreas parciais, que são classificados pelo grau de impermeabilização do solo. Utilizou-se a fórmula abaixo devido a bacia apresentar diferentes tipos de uso do solo.

Onde:

C2 = coeficiente das áreas parciais;

An = áreas parciais;

Ai = área da bacia.

Foi aplicado um coeficiente de distribuição das chuvas (K), devido à desigualdade de distribuição das mesmas em uma bacia. Utilizou-se o gráfico do US Weather Bureau (ASCE, 1997), mostrado na figura a seguir. O gráfico relaciona a chuva  num ponto e numa área, em função da área da bacia e do tempo de duração da chuva.

Figura 5: Coeficiente de Distribuição Espacial da Chuva (K).

 

Para ser obtida a intensidade da chuva (i) em (mm/h), para a cidade de Vitória da Conquista, foi feita uma pesquisa no site do INMET (Instituto Nacional de Meteorologia) e utilizado o banco de dados meteorológicos para ensino e pesquisa (BDMEP). A precipitação de maior intensidade foi analisada entre 01/01/2000 a 30/04/2020, como pode ser visto a seguir:

Figura 6: Precipitação (mm), Vitória da Conquista.

A pesquisa gerou uma série de informações, com data de medição, hora e volume precipitado no dia em milímetros (mm).

Figura 7: Dados de Precipitação.

Com a análise dos dados da lista gerada, chegou-se à data de 04/01/2018 a qual foi registrada no dia uma precipitação de 105,6mm, a maior registrada no período.

Figura 8: Dados de Precipitação.

Em posse desse dado, foi possível determinar o volume precipitado em 1 hora a partir da publicação do site Clima Tempo, apresentando uma precipitação de 73 mm entre às 17 horas e às 18 horas, o que levou a uma precipitação de 73 (mm/h).

Figura 9: Chuva em Vitória da Conquista.

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 INTENSIDADE DA CHUVA

Como visto anteriormente, foi adotada a maior intensidade verificada, em Vitória da Conquista, entre os anos 2000 e 2020, retirada do banco de dados do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), obtendo o valor de i = 72 (mm/h).

4.2 COEFICIENTE DE ESCOAMENTO VOLUMÉTRICO

Para o cálculo do coeficiente de escoamento volumétrico, a área da bacia foi dividida em duas partes: área com grau de impermeabilidade do solo baixa (área com vegetação) e área com grau de impermeabilidade do solo muito alta (área urbanizada), obtendo o resultado para o coeficiente C2 = 0,784.

Figura 10: Divisão de Áreas de Impermeabilização.

Tabela 2: Coeficiente das Áreas Parciais.

4.3 FATOR DE FORMA DA BACIA

Para o cálculo foi preciso primeiro conhecer o tamanho do talvegue da bacia hidrográfica, que é o canal mais profundo do leito do curso d´água e por onde a água escoa com maior velocidade. Analisando a imagem do Google Earth, obteve-se o comprimento do talvegue de 3,2 km. Aplicando a fórmula do fator de forma da bacia, chegou-se ao valor F = 1,11.

4.4 COEFICIENTE DE FORMA DA BACIA

Com o valor do fator de forma da bacia, calculou-se o coeficiente de forma da bacia, chegando ao valor de C1 = 1,29.

4.5 COEFICIENTE DE ESCOAMENTO SUPERFICIAL

Com os dados dos coeficientes C1 e C2 e do fator F, foi possível calcular o coeficiente de escoamento superficial, obtendo o valor de C = 0,58.

4.6 COEFICIENTE DE DISTRIBUIÇÃO ESPACIAL DA CHUVA

Para obter o coeficiente de distribuição espacial da chuva (K), foi utilizado o gráfico do US Weather Bureau e tendo como valores para análise, a área da bacia A = 6.51km² e o tempo de duração da chuva, t =1 hora. Assim, observando pelo gráfico da figura (3), chegou-se ao valor de K = 98%.

4.7 CÁLCULO DA VAZÃO DE CHEIA

Depois de ter calculado todas as variáveis da equação do método I-PAI-WU, por fim foi calculada a vazão de cheia da bacia hidrográfica, obtendo o valor de Q = 61,41m³/s ou 61410 l/s.

5. ANÁLISE DOS RESULTADOS

Analisando a área da bacia hidrográfica com o auxílio do Google Earth, foi possível identificar localidades da bacia com inclinações relativamente altas e sem nenhum mecanismo de drenagem existente. Essa situação favorece o aumento do escoamento superficial, uma vez que a água escoada não encontra nenhuma barreira para o seu fluxo, ganhando velocidade e volume ao longo do trecho. O volume de água acumulado leva resíduos sólidos cada vez maiores que entopem os sistemas de drenagem, além de causar danos às estruturas. A imagem a seguir mostra um trecho da Avenida Antônio Nascimento onde é possível ver claramente essa situação.

Figura 11: Avenida Antônio Nascimento.

Outro ponto que pode ser destacado é o cruzamento da Avenida Crescêncio Silveira. É possível ver o encontro de avenidas largas sem nenhum mecanismo de drenagem. Nesse ponto, o escoamento ganha volume, podendo arrastar automóveis. Os fatores, em conjunto com o grande volume de água escoado pela bacia, acabam causando as enchentes vistas em Vitória da Conquista.

Figura 12: Avenida Crescêncio Silveira.

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

O projeto inicial deste artigo tinha como objetivo calcular a vazão de cheia da bacia hidrográfica do rio verruga, essa vazão é o volume de água que a bacia escoa dada uma precipitação. Esse cálculo só foi possível graças aos dados fornecidos pelo INMET e da visualização da bacia pelo Google Earth, que possibilitou chegar ao valor da vazão gerada pela bacia hidrográfica. O conhecimento dessa vazão máxima é de extrema importância para realizar o dimensionamento dos mecanismos de drenagem que seja suficiente quando solicitado ao volume máximo, tendo em vista que a cidade de Vitória da Conquista sofre com alagamentos devido a precipitações intensas, ocasionando transtornos e prejuízos à população. Nessa avaliação foi possível perceber como o processo de urbanização influencia no processo natural de escoamento da água.

Como continuidade desse trabalho sugere-se:

Analisar a capacidade de drenagem dos sistemas existentes na área da bacia estudada, a fim de ser feita uma comparação do volume de água que escoa e o que é efetivamente captado pelos sistemas de drenagem.

REFERÊNCIAS

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CARDOSO NETO, Antônio. Sistemas urbanos de drenagem. Brasília, 1993. 19 p. Disponível em: <http://www.ana.gov.br/AcoesAdministrativas/CDOC/ProducaoAcademica/Antonio Cardoso Neto/Introducao_a_drenagem_urbana.pdf>. Acesso em: 02 fev. 2018.

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FINKLER, Raquel. Planejamento, manejo e gestão de bacias. Agência Nacional de Águas – ANA, São Paulo, 2012. 55 p. Disponível em: <https://capacitacao.ead.unesp.br/dspace/bitstream/ana/82/2/Unidade_1.pdf>. Acesso em: 02 fev. 2018.

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REIS, Flávio. Método I-Pai WU Modificado. Hidro Mundo, 2018.

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TUCCI, C. E. M. Hidrologia: ciência e aplicação. Editora da Universidade de São Paulo (EDUSP), São Paulo, 1993.

^[1] Graduando em Engenharia Civil.

^[2] Graduando em Engenharia Civil.

^[3] Graduando em Engenharia Civil.

^[4] Graduando em Engenharia Civil.

^[5] Graduando em Engenharia Civil.

^[6] Especialização em Engenharia em Estruturas. Especialização em Geoprocessamento e Georreferenciamento. Graduação em Engenharia Civil.

Enviado: Junho, 2020.

Aprovado: Junho, 2020.