A Modelagem Hidrodinâmica
A modelagem hidráulica do escoamento de corpos hídricos é necessariamente realizada através de software específico. Um dos sistemas mais utilizados e confiáveis neste mercado é o software HEC-RAS (Hydrologic Engineers Corps – River Analysis System). O modelo se baseia na resolução das equações de Saint-Venant uni ou bidimensionais, considerando regimes permanentes ou não permanentes.
Na construção do modelo de simulação hidrodinâmica no HEC-RAS são necessárias as seguintes informações:
- Geometria: Caracterização topobatimétrica da região de estudo por meio de uma modelo numérico do terreno (MNT). O MNT é elaborado através de dados provenientes de levantamentos de campo;
- Coeficientes de Rugosidade: Para o desenvolvimento do modelo são utilizados coeficientes de perda de energia, como o coeficiente de Manning para avaliação das perdas por atrito, e coeficientes de contração e expansão.
- Condições de contorno: são condições introduzidas nos extremos dos trechos estudados, a montante e jusante do modelo, para que o modelo dê início aos cálculos da superfície da linha d’água. É possível a utilização alguns tipos diferentes de condições de contorno no HEC-RAS, elevação da superfície da água, profundidade crítica, profundidade normal (onde em geral é utilizada a declividade média do talvegue), curva chave e hidrogramas.
Condições de Cálculo: além das informações geométricas, de escoamento, condições de contorno e coeficiente de perda de energia é necessário que sejam informados os tempos de cálculo e de obtenção de resultados.
O tempo de recorrência e o risco na drenagem urbana
Em artigo anterior, apresentamos a definição de Tempo de Recorrência, que é o inverso da probabilidade de um determinado evento hidrológico ser igualado ou excedido em um ano qualquer.
Discutimos os valores usuais da TR, que variam de acordo com determinada fonte, podendo estas serem publicações, órgãos contratantes ou fiscalizadores de obras.
Neste texto, gostaria de aprofundar mais a discussão sobre o conceito de risco.
Entende-se por risco a probabilidade de uma determinada obra vir a falhar, pelo menos uma vez, durante sua vida útil. Este conceito leva em conta que uma obra, projetada para um determinado TR, é sujeito a uma probabilidade de 1/TR de vir a falhar, todos os anos.
Sendo assim, ao longo da sua vida útil, esta obra possui um risco de falha, maior que a relação 1/TR, uma vez que esta falha ocorra repetidamente. É importante destacar, que esta falha será caracterizada por uma chuva superior ao do projeto, resultando em inundação da área do projeto implantado.
Ou seja, uma obra com TR de 10 anos, ao longo da sua vida útil, estará sujeita a chuvas iguais a superiores à chuva de projeto, podendo ocorrer várias chuvas de TR 10, neste período. De fato, uma chuva de TR 10 pode, inclusive, ocorrer várias vezes num período de um ano.
A tabela a seguir, que foi deduzida a partir da teoria das probabilidades, ilustra a questão. Nesta é apresentado o Risco (em porcentagem), considerando-se o Tempo de Recorrência e a vida útil da obra (ambos em anos).
Tabela: Risco (%), em função do tempo de recorrência / Vida útil da obra.
| T TR (anos) | Vida útil da obra (anos) | ||||
| 2 | 5 | 25 | 50 | 100 | |
| 2 | 74 | 97 | 99,9 | 99,9 | 99,9 |
| 5 | 36 | 67 | 99,9 | 99,9 | 99,9 |
| 10 | 19 | 41 | 93 | 99 | 99,9 |
| 25 | 25 | 18 | 64 | 878 | 98 |
| 50 | 40 | 10 | 40 | 64 | 87 |
| 100 | 2 | 5 | 22 | 39 | 63 |
| 500 | 0,4 | 1 | 5 | 9 | 18 |
Fonte: Fonte: Drenagem urbana – Tucci, Porto, Barros – ABRH, 2015.
A análise da tabela, mostra que para uma vida útil de 50 anos de uma obra, os riscos (probabilidade de falha) são de praticamente 100% para obras de microdrenagem e permanecem altos em obras de macrodrenagem.
Sendo assim, conclui-se que o objetivo principal das obras de microdrenagem é de esgotar as vazões oriundas das chuvas mais frequentes, podendo-se admitir ocorrência de alagamentos associados a chuvas de menor frequência, mas com consequente maior intensidade.
Conclui-se também que as obras de macrodrenagem, não são imunes ao risco de falha ao longo da vida útil. Sendo assim, existe uma probabilidade significante da ocorrência de inundações resultantes das chuvas menos frequentes.
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O tempo de recorrência na drenagem urbana
Quando estamos definindo as chuvas de projeto, utilizamos equações IDF (Intensidade, duração, frequência), ou outros métodos, para determinar a intensidade de chuva. Em todas as metodologias, um fator fundamental é o tempo de recorrência.
O Tempo de Recorrência (TR), ou Período de Retorno é o inverso da probabilidade de um determinado evento hidrológico ser igualado ou excedido em um ano qualquer. Sendo assim, quando se adota um TR de uma certa quantidade de anos, significa dizer que o dimensionamento daquela obra será para uma chuva que ocorrerá ou será excedida dentro deste período. Por exemplo: para um TR de 10 anos, sabemos que neste período, teremos chuvas de igual ou maior intensidade à definida em projeto.
É interessante notar, que esta definição não é exclusivamente técnica, mas fundamentalmente econômica, uma vez, que a TR impacta diretamente no nível do investimento de determinada obra de drenagem.
Mas qual TR deve ser adota, para determinada obra? Existem diferentes definições para tal. Algumas delas, são citadas a seguir:
A subsecretaria de Gestão de Bacias Hidrográficas (Rio Águas), do Município do rio de Janeiro, por exemplo, apresenta os seguintes critérios:
Fonte: Instruções técnicas para elaboração de estudos hidrológicos e dimensionamento hidráulico de sistemas de drenagem urbana – Rio Águas.
| Tipo de dispositivo de drenagem | Tempo de recorrência TR (anos) |
| Microdrenagem – dispositivos de drenagem superficial, galerias de águas pluviais | 10 |
| Aproveitamento de rede existente – Microdrenagem | 5 |
| Canais de macrodrenagem não revestidos | 10 |
| Canais de macrodrenagem revestidos, com verificação para TR 50 anos, sem considerar borda livre | 25 |
Fonte: Drenagem urbana – Tucci, Porto, Barros – ABRH, 2015
| Tipo de obras | Ocupação do solo | Tempo de recorrência TR (anos) |
| Micro-drenagem | Residencial | 2 |
| Micro-drenagem | Comercial | 5 |
| Micro-drenagem | Edifícios públicos | 5 |
| Micro-drenagem | Aeroportos | 2 a 5 |
| Micro-drenagem | Comercial, artéria de trafego | 5 a 10 |
| Macro-drenagem | Áreas comerciais e residenciais | 50 a 100 |
| Macro-drenagem | Área sem importância específica | 500 |
Fonte: – ISF-208 – Estudos Hidrológicos – DNIT, 2015.
| Tipos de obra | Tempo de recorrência TR (anos) |
| Obras de arte especiais (ponte) | 100 |
| Obras de arte corrente (bueiros – Escoamento livre) | 25 |
| Obras de arte corrente (bueiros – Considerando-se afogamento e sobre elevação de até um metro) | 50 |
| Obras de drenagem superficial | 10 |
Conclui-se, portanto que para definir o tempo de recorrência da obra, deve-se pesquisar uma fonte adequada, considerando a região de atuação, contratante da obra, e/ou órgão fiscalizador.
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O Estudo Hidrológico
No estudo hidrológico, são elaborados os cálculos para definição de vazão de cheia. De acordo com a literatura, se o curso d’água não apresenta série histórica, faz-se a utilização de métodos sintéticos. Dois métodos são os mais utilizados, sendo eles o Método Racional e o Método do Hidrograma Unitário Sintético do Soil Conservation (Método SCS).
O Método Racional é o método mais difundido para a determinação de vazões de pico em pequenas bacias. Este possui características de simplicidade e de apresentar bons resultados, desde que sua aplicação seja feita dentro de suas condições de validade.
Para aplicação do Método Racional, as seguintes propriedades são consideradas por descrever uma pequena bacia em relação às precipitações e outras características do escoamento que produzem a vazão de pico.
- A chuva pode ser considerada uniformemente distribuída no tempo e no espaço;
- A duração de chuva, normalmente, excede o tempo de concentração da bacia;
- O escoamento superficial é devido, principalmente, ao escoamento sobre superfície;
- O processo de amortecimento nos canais é desprezível.
Em termos práticos, classifica-se como bacias pequenas aquelas com áreas menores que 1 km2 e tempo de concentração menor que 1 hora.
O Método do Hidrograma Unitário Sintético do Soil Conservation Service , é adotado em bacias maiores que 1km2. Este Método utiliza Hidrograma Unitário Sintético, definido como uma função de transferência usada para converter um hietograma de chuva excedente em um hidrograma de projeto. Baseia-se na hipótese de que, se uma bacia se comporta como um reservatório linear, pode-se demonstrar que chuvas efetivas de intensidades constantes e mesmas durações geram hidrograma com tempos de pico e durações iguais os deflúvios gerados estarão na mesma proporção das chuvas efetivas.
A metodologia para estimativa da vazão de projeto utilizada nesse estudo é a desenvolvida pelo Soil Conservation Service (SCS), que é a metodologia mais empregada no Brasil. Baseia-se na média de um grande número de hidrograma unitários de bacias de diferentes características.
