DETERMINAÇÃO DO PARÂMETRO CN PARA SUB-BACIAS URBANAS DO ARROIO DILÚVIO - PORTO ALEGRE/RS Rutinéia Tassi1; Daniel G. Allasia2; Adalberto Meller2; Talita C. Miranda3; Josiane Holz3 & André L. L. da Silveira4 RESUMO --- A maioria das metodologias utilizadas no dimensionamento de obras de drenagem urbana são baseadas na disponibilidade do dado de vazão. Entretanto, freqüentemente, este tipo de informação não se encontra disponível. Neste caso se utilizam métodos sintéticos para determinação da vazão de projeto, entre os quais pode-se citar o Método da Curva-Número do SCS, um dos mais utilizados para este fim. O método tem como principal parâmetro o CN, que caracteriza o uso e a ocupação do solo na bacia. Dada a importância deste parâmetro, este artigo apresenta o processo metodológico empregado na obtenção do parâmetro para algumas sub-bacias urbanas da cidade de Porto Alegre-RS, bem como os resultados encontrados. Esse trabalho também tem como objetivo a apresentação de valores médios para o CN, que possam ser utilizados por projetistas nas bacias analisadas ou bacias com características semelhantes. Os resultados contradizem à atual “crença” de que os planejadores e projetistas acabam adotando valores de CN elevados para ficar “a favor da segurança”, já que em todas as bacias os valores calibrados foram superiores aos determinados em diferentes projetos anteriores. ABSTRACT --- Most of the design methodologies used in urban drainage are based on the availability of the flow data. However, frequently, this type of information is not available. In this case, synthetic methods for rainfall-runoff transformation are used for determination of the design flow. Amongst these methods, the methodology of the Curve Number (TR-55) is one of the most used. The method has as main parameter the CN, which characterizes the land use and occupation of the basin. Due the importance of this parameter, this paper presents the methodological process employed in the determination of CN for some urban sub-basins in the city of Porto Alegre-RS (Brazil) as well the results obtained. This work also has as objective the presentation of average values that could be used by designers in the analyzed basins or in basins with similar characteristics. The results contradict the current "belief" that the designers adopt higher values of CN "on behalf of the security", since in all the basins the calibrated values were higher than ones determined in different previous projects.
Palavras-Chave: CN, drenagem urbana, modelagem hidrológica.
1) Professora da FURG (Fundação Universidade Federal do Rio Grande) - Setor de Hidráulica e Saneamento - Departamento de Física. Av. Itália, km 8/sn. Rio Grande-RS. E-mail:
[email protected] 2) Aluno de Doutorado do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH) da UFRGS. Caixa Postal 15029, CEP 91501-970, Porto Alegre. 3) Aluno de Graduação em Engenharia Civil da FURG - Setor de Hidráulica e Saneamento - Departamento de Física. 4) Professor do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH) da UFRGS. Caixa Postal 15029, CEP 91501-970, Porto Alegre.
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1. INTRODUÇÃO Ao fazer o dimensionamento de uma obra de drenagem urbana, o projetista freqüentemente se depara com a indisponibilidade de dados de vazão, necessários para o dimensionamento da maioria das obras hidráulicas. Na falta de dados observados, se utilizam métodos sintéticos (transformação de precipitação em vazão) para determinação da vazão de projeto, entre os quais se destacam o Método Racional e o Método da Curva-Número (em conjunto com uma metodologia de geração de hidrograma, por exemplo HU, HUS-SCS, etc...), muito utilizados na prática da engenharia no Brasil. Por mais simplificada que seja a metodologia empregada no dimensionamento das obras de drenagem, como é o caso do Método Racional, sempre há a necessidade de se determinar parâmetros que representem a situação de projeto. Um dos parâmetros mais importantes nesse processo diz respeito à caracterização do uso e cobertura do solo, que possui grande influência na determinação da precipitação efetiva. No caso de uso do Método Racional, o parâmetro relacionado com a caracterização do uso e ocupação do solo é o “Coeficiente de Escoamento”. No Método do Soil Conservation Service (SCS), o parâmetro que caracteriza o uso e ocupação do solo é o CN (Curva-Número). Em uma situação de inexistência de dados para determinação desses parâmetros, o projetista passa por um processo de “estimativa sem calibração” do parâmetro (muitas vezes um tanto subjetiva), com base nas informações disponíveis como mapas de uso e ocupação do solo, fotografias aéreas, imagens de satélite, entre outras, combinadas com mapas de caracterização do tipo de solo. Mesmo com uma análise criteriosa da base de dados citada, o parâmetro obtido pode não ser adequado para a região em estudo, dada a complexidade e não-linearidade dos processos que ocorrem em uma bacia hidrográfica. Além disso, os parâmetros apresentados em manuais e tabelas foram concebidos para utilização em outros países, que possuem clima e solos com características diferentes dos solos brasileiros. Como conseqüência da estimativa de um parâmetro, pode-se super-dimensionar uma obra, aplicando recursos financeiros que poderiam ser disponibilizados para fins nobres como a saúde e educação; ou pode-se ter obras sub-dimensionadas, que estarão suscetíveis a inundações decorrentes de chuvas com tempos de retorno inferiores ao utilizado no dimensionamento das redes de drenagem, causando grandes transtornos à população. Para ressaltar a importância do estabelecimento de um parâmetro à níveis aceitáveis, pode-se citar o trabalho realizado por Allasia (2002). Nesse trabalho, o autor avalia os custos relacionados com o dimensionamento das obras de drenagem urbana e relaciona os mesmos com as incertezas envolvidas na estimativa de vários parâmetros. O CN, do método do SCS, foi um dos parâmetros I Simpósio de Recursos Hídricos do Sul-Sudeste
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analisados pelo autor, que concluiu que entre os parâmetros utilizados para o dimensionamento da drenagem urbana o CN é o de maior impacto na vazão e, conseqüentemente, no custo da rede de drenagem. Os resultados indicaram que para cada R$ 1 (um real) investido em uma rede de macrodrenagem urbana, um erro comum de 10% (de super ou sub-estimativa) no CN custa aos cofres públicos entre R$ 0,45 (quarenta e cinco centavos) e R$ 1,10 (um real e dez centavos), dependendo do cenário (Allasia, 2002; Allasia e Villanueva, 2005a; Allasia e Villanueva, 2005b). Desta forma, é possível observar que pequenos desvios na determinação do parâmetro CN resultam em grandes custos para a sociedade. Por exemplo, os valores citados no parágrafo anterior indicam que os erros usualmente cometidos na estimativa do CN representariam R$ 10.000.000 na instalação da rede de macrodrenagem da bacia hidrográfica do Arroio da Areia, na cidade de Porto Alegre (que representa cerca de 2% da área municipal). Se desse valor fosse economizado R$ 1.000.000, poderiam ser alimentados 40.000 alunos durante todo o ciclo letivo (Rio Grande do Sul, 2004). O método do SC também vem sendo utilizado também para a determinação do volume de armazenamento em reservatórios de detenção, utilizados no controle de enchentes urbanas. Neste sentido, Tassi (2002) dimensionou reservatórios para valores de CNs variando entre 62 e 80, e verificou diferenças significativas nos volumes de armazenamento (40%) e vazões de projeto (70%). Dada a importância da estimativa do CN, esse trabalho apresenta um processo metodológico empregado na obtenção do parâmetro CN para algumas sub-bacias urbanas da Bacia do Arroio Dilúvio, em Porto Alegre-RS, bem como a variabilidade dos resultados encontrados. Esse trabalho também tem por objetivo a obtenção de valores médios para o parâmetro, que possam ser utilizados em estudos realizados nas bacias hidrográficas analisadas ou com características semelhantes. 1.1. Antecedentes A determinação dos parâmetros de modelos de separação do escoamento tem sido a preocupação de pesquisadores em vários países, e o Brasil não foge à regra. Entre as pesquisas brasileiras neste sentido, destaca-se o trabalho de Germano e Tucci (1995), que analisaram 33 eventos (precipitação-vazão) e determinaram o valor do parâmetro CN em 24 bacias urbanas em Porto Alegre, Joinville, Curitiba, São Carlos e Rio de Janeiro. Na época os autores concluíram que os valores obtidos não se afastavam de forma significativa daqueles que seriam estimados através de tabelas e manuais normalmente utilizados. Em São Paulo, no desenvolvimento do Plano Diretor de Drenagem Urbana da Bacia Hidrográfica do Alto Tietê (SIGRH, 1999), foram calibrados valores de CN para 99 bacias. O modelo adotado para a simulação foi o CABC da FCTH (http://www.fcth.br/software/cabc.html). I Simpósio de Recursos Hídricos do Sul-Sudeste
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Nesse modelo, o uso do solo pode ser considerado de duas formas: a) parcela impermeável diretamente conectada ao curso d’água (considerada com CN=100); b) parcela impermeável e permeável não conectada diretamente. O resultado obtido na calibração foi muito bom, no entanto, devido à forma de representação do uso do solo no modelo, a parte impermeável não tem representatividade em termos de CN, resultando em valores muito baixos do parâmetro para a porção permeável. Assim, os valores do parâmetro CN encontrados na calibração praticamente não geram escoamento superficial na aplicação convencional do Método do SCS, além de serem incoerentes com os valores tabelados para o solo da região. Esse fato chama a atenção para a determinação da chuva efetiva de modelos tipo o CABC e HEC-1, que devem ser utilizados com cautela, avaliando sempre o verdadeiro significado do valor do parâmetro CN a ser introduzido nos modelos. Nos Planos Diretores de Drenagem Urbana das cidades de Porto Alegre (IPH/DEP, 2002), Caxias do Sul (IPH/SAMAE, 2002) e Flores da Cunha (IPH/PMFC, 2005), todas no Rio Grande do Sul, em função da falta de dados fluviométricos nas bacias analisadas, foi realizada uma calibração qualitativa a partir das manchas de inundação. Em função da reprodução de níveis de alagamento registrados em diferentes eventos chuvosos na cidade, foram melhoradas as estimativas do parâmetro CN, obtidas a partir de dados de urbanização determinados por técnicas de geoprocessamento (sensoriamento remoto). Os CNs nessas bacias hidrográficas variaram entre 70 e 91, para as condições mais permeável e menos permeável, respectivamente. Por fim, embora o método da Curva-Número do SCS seja simplificado e dependa unicamente do parâmetro (CN), a incerteza associada com a determinação do CN pode muitas vezes levar a resultados incoerentes. Assim, esta pesquisa tem como intuito gerar um banco de dados de CN para bacias urbanas e de complementar e expandir o trabalho de Tucci e Germano (1995). 1.2. O Método da Curva-Número (CN) Existem muitas metodologias para determinação do escoamento superficial direto, no entanto, com o decorrer do tempo algumas delas se popularizaram entre os projetistas. Este é o caso do método da Curva-Número (SCS, 1964) do Serviço de Conservação de Solos do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos. A equação do escoamento utilizada no método foi desenvolvida por Victor Mockus e outros por volta de 1947 (SCS, 1973). Foi concebida, sobretudo, para utilização em pequenas bacias, através de dados de bacias experimentais com vários tipos e uso do solo e técnicas de plantio. Como a equação foi desenvolvida a partir de dados de chuva diária, o método é adequado para estimativa do escoamento superficial direto para o período de 1 dia ou menos. A determinação do escoamento superficial direto (Q) no método se dá através da equação (1). I Simpósio de Recursos Hídricos do Sul-Sudeste
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Na referida equação Q é função de um único parâmetro, o CN, que se encontra tabulado na maioria dos manuais e livros de drenagem hidrologia.
( P − I a )2 Q= (P − Ia ) + S
(1)
onde: Q = escoamento superficial direto em mm; P = precipitação em mm; S = armazenamento potencial máximo do solo em mm; Ia=perdas iniciais incluindo perdas por armazenamento na superfície, interceptação, infiltração incial e outros fatores. As perdas iniciais, representadas por Ia na equação (1),
são bastante variáveis, mas
geralmente podem ser relacionadas com o tipo de solo e a cobertura vegetal. A partir de um estudo envolvendo pequenas bacias hidrográficas rurais nos E.U.A., Ia foi determinado como função do armazenamento potencial máximo do solo (S). A relação, apresentada na equação (2), remove a necessidade da estimava de Ia para uso comum ou para locais sem a disponibilidade de dados. I a = 0,2.S
(2)
Substituindo 2 em 1, tem-se: Q=
( P − 0,2.S ) 2 P + 0,8.S
(3)
O valor de S depende do tipo e da ocupação do solo, e pode ser determinado, uma vez definido o valor do CN, através da equação 4. S=
25400 − 254 CN
(4)
onde: CN é chamado de “curva-número” ou “número de curva” e varia entre 0 e 100. O parâmetro CN depende do tipo, condições de uso e ocupação e umidade do solo no período que antecede ao evento. Com relação aos tipos de solo e condições de ocupação, o SCS distingue, no método, quatro grupos hidrológicos de solos, que variam desde areias com grande capacidade de infiltração a solos argilosos com capacidade de infiltração extremamente baixa (30 40% de argila total). As características ou definições dos grupos do solo, apresentadas pelo SCS são (Mockus apud Sartori et al. (2006)): - Grupo A: solos com baixo potencial de escoamento e alta taxa de infiltração uniforme quando completamente molhados, consistindo principalmente de areias e cascalhos, ambos profundos e excessivamente drenados (Taxa Mínima de Infiltração: >7,62 mm/h); - Grupo B: solos contendo moderada taxa de infiltração quando molhados, consistindo principalmente de solos moderadamente profundos, moderadamente bem drenados e com textura moderadamente fina e moderadamente grossa (Taxa Mínima de Infiltração: 3,81-7,62 mm/h); - Grupo C: solos contendo baixa taxa de infiltração quando completamente molhados, consistindo principalmente com camadas que dificultam o movimento da água de camadas superiores para I Simpósio de Recursos Hídricos do Sul-Sudeste
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inferiores, com textura moderadamente fina e baixa taxa de infiltração (Taxa Mínima de Infiltração: 1,27-3,81 mm/h); - Grupo D: solos que possuem alto potencial de escoamento, tendo uma taxa de infiltração muito baixa quando completamente molhados, principalmente solos argilosos (Taxa Mínima de Infiltração:
