A modelagem hidrológica e hidráulica realizada através dos softwares HEC-HMS e HEC-RAS se mostrou eficiente na reconstituição do evento ocorrido em Guidoval em 02/01/2012, visto que, a área inundada gerada pelas simulações apresentou praticamente o mesmo aspecto e abrangência da que era esperada de acordo com as informações compiladas. A correspondência entre as manchas revela ainda que a metodologia aplicada para caracterização da área de drenagem em termos físicos e pluviométricos foi satisfatória e que o método de transformação chuva-vazão do SCS foi adequado ao proposto. A precipitação utilizada para reproduzir o evento foi obtida de estações pluviométricas situadas fora dos limites geográficos da BH, mas, com a adoção da chuva média pelo método dos polígonos de Thiessen o valor resultante pôde representar muito bem a vazão da onda de cheia que percorreu Guidoval.
A partir do bom resultado obtido, outras simulações variando a recorrência das chuvas, puderam ser realizadas para a mesma caracterização física da BH. Para isso fez-se uso da extrapolação dos registros de precipitação por métodos estatísticos a fim de se determinar o comportamento das chuvas na região com equações de intensidade-duração-frequência.
A definição das equações IDF das estações foi imprescindível para caracterizar a probabilidade de ocorrência de eventos semelhantes ao do dia 02/01/2012, sendo possível então, a determinação da mancha inundada por eles. As áreas inundadas obtidas pela variação de períodos de recorrência delimitaram os locais possivelmente alagados caso eventos extremos reincidam sobre a bacia. Essa delimitação é de grande valia e poderá ser utilizada pelo município para avaliar a implantação de medidas que visem resguardar os guidovalenses dos prejuízos de uma nova enchente, principalmente impedindo que áreas de risco que ainda não foram urbanizadas sejam ocupadas pela população.
Uma consideração importante a ser feita é que todas as formas utilizadas para aquisição dos dados necessários a este estudo foram gratuitas, e, toda a pesquisa foi realizada à distância, não ocorrendo nenhuma visita a campo durante a execução do trabalho. A mobilidade da proposta metodológica aqui desenvolvida garante que, as simulações possam ser realizadas de forma rápida e a baixos custos, abrangendo cada vez mais localidades atingidas que se encontram em situação semelhante à de Guidoval quanto à ocorrência de inundações e a carência de dados para sua qualificação e quantificação. Além do mais este tipo de estudo com a aplicação das etapas aqui descritas permite melhores diagnósticos das
áreas susceptíveis a estas ocorrências, e, que consequentemente sejam tomadas decisões assertivas para solucionar o problema.
O que corrobora à replicação dos passos adotados neste trabalho é que tanto o HEC- HMS quanto o HEC-RAS são ferramentas de utilização simples e que oferecem muitas opções de modelagem, principalmente quando trabalhadas em conjunto com os processadores de SIG, HEC-GeoHMS e HEC-GeoRAS. Os processadores agilizam o trabalho de identificação das estruturas responsáveis pela geração e propagação do escoamento em uma BH, além é claro de codificá-las em linguagem própria pronta para a modelagem. Uma grande vantagem do uso de modelos hidráulico-hidrológicos é que eles permitem a compreensão dos processos que ocorrem no interior da BH possibilitando a quantificação e manipulação de variáveis importantes para a análise e a tomada de decisão. Santos (2009) concorda dizendo que, a modelagem hidrológica permite verificar a consistência das informações disponíveis (dados observados), que são em geral muito curtas, obtidas a partir das observações hidrológicas nas bacias hidrográficas, e com base nesses dados, os modelos hidrológicos podem ser calibrados, permitindo, por exemplo, a geração de séries sintéticas e a utilização dos modelos como ferramenta de obtenção de dados em bacias não monitoradas.
Segundo Santos (2009), os modelos físicos, assim como o HEC, utilizam as principais equações diferenciais do sistema físico para representar os processos e os seus parâmetros, sendo aqueles que mais se aproximam da física do sistema. Dessa forma, as mudanças das características das bacias podem alterar os valores dos parâmetros, os quais podem ser avaliados através de medidas de campo e, portanto, modelos desse tipo, possuem uma característica muito importante, a de poderem ser aplicados em bacias hidrográficas que não possuem dados observados.
Graciosa (2010) afirma que as ferramentas disponibilizadas gratuitamente para uso, as chamadas ferramentas livres, como o pacote HEC, tem se consolidado como uma importante base para a implementação de processos de gestão com aplicação de tecnologia de ponta, acessível à solução de problemas sociais, econômicos e ambientais graves como as inundações. Segundo a autora, a plataforma HEC revelou ser muito eficaz para os propósitos de planejamento e gerenciamento do risco em hidrologia urbana. As possibilidades que o
software oferece, em termos de multiplicidade de modelos disponíveis, as ferramentas de
calibração de parâmetros e a vasta documentação com manuais e informações detalhadas dos métodos usados, juntamente com a possibilidade de operação em múltiplos sistemas operacionais e gratuidade da licença, fizeram desta plataforma uma solução adequada aos propósitos de simulação hidrológica. A autora utilizou o HEC-HMS para quantificação de
vazões na bacia do córrego do Gregório em São Carlos - SP, bacia que naquela época encontrava-se em processo de urbanização, com vistas à implementação de um mecanismo de transferência do risco de inundações. O módulo HEC-RAS não foi utilizado por ela devido a sua aplicação estar condicionada somente ao sistema operacional Windows, diferentemente do HEC-HMS que possui versões compatíveis ao Linux e ao Solaris. Para Graciosa (2010) isto também deve ser levado em conta na seleção de ferramentas para aplicação em longo prazo na gestão pública de cidades brasileiras, que tem atualmente a tendência de utilizar progressivamente sistemas operacionais abertos. Seguindo a linha de pensamento da autora esta restrição aplica-se também ao ArcGIS que precisa ter sua licença comprada e fica geralmente restrito ao ambiente acadêmico e às empresas que podem pagar por seu uso.
Santos (2009) também mencionou alguns empecilhos quanto à utilização de modelos semelhantes ao pacote HEC. Como exemplo, ele compilou as observações de Foster (1982), Beven e O'connel (1982), Abbott et al. (1986 a, b), Beven (1989), Galvão (1990) e Figueiredo (1999) que dizem respeito às restrições relacionadas a escala, calibração, validação e as incertezas inerentes aos valores dos parâmetros e da saída fornecida. Além disso, escreveu sobre a necessidade de calibração dos parâmetros, e as suposições utilizadas para resolver o sistema de equações que geram alguns erros difíceis de serem eliminados.
É fato que, dentro da área denominada sub-bacia do rio Xopotó, não existem, até a presente data, registros pluviométricos e fluviométricos de fácil acesso, os quais poderiam embasar a modelagem para obtenção dos modelos validados, o que garantiria maior acurácia e credibilidade aos resultados. Além dos dados hidrometeorológicos, informações sobre os elementos fisiográficos foram obtidas com o auxílio do processamento de imagens digitais e não puderam ser confrontadas com mapeamentos pré-existentes ou com uma base de elementos referente.
A falta dos dados descritivos da morfologia da área foi decisiva na caracterização da parte inundável. Notou-se grande sensibilidade nas simulações feitas no HEC-RAS em relação à descrição do terreno. Como não se dispunha de um MDT para elaboração do projeto hidráulico foi utilizado um MDE cuja resolução não permitiu que a calha do rio assim como, a planície de inundação fossem identificadas com boa precisão, influenciando diretamente na forma e extensão da mancha simulada. A mesma sensibilidade foi avaliada por Cook e Merwade (2009) ao compararem as simulações feitas no HEC-RAS para o rio Strouds Creek na Carolina do Norte e o rio Brazos no Texas. Os resultados mostraram que a área de inundação diminuiu com melhor resolução horizontal e vertical na precisão dos dados
topográficos. Esta redução foi ainda reforçada pela incorporação da batimetria do rio nos dados topográficos.
Diversos autores tiveram acesso a descrições do terreno mais refinadas, em alguns casos até a batimetria do curso d’água foi obtida, como é o caso de Monte et al. (2016) que combinaram cartas topográficas com cotas equidistantes de 1 metro (escala 1:2.000) na planície alagável do rio Mundaú, localizado entre os estados de Alagoas e Pernambuco, e a altimetria do MDE disponibilizado pelo TOPODATA com resolução espacial de 30 metros, interpolado e com correção de dados do MDE SRTM de resolução espacial 90 metros. Segundo os autores foi possível observar uma sensível diferença entre os dados levantados em campo e as estimativas do MDE, principalmente na calha do rio. Em média, esta diferença ficou em torno de 12 %. Para eles, a combinação entre MDE, topografia e batimetria tende a melhorar a qualidade dos resultados.
Campos (2011) em estudo realizado para obtenção de áreas inundáveis em Governador Valadares – MG utilizou o HEC-GeoRAS para caracterização da planície de inundação. O autor teve por base o MDT gerado a partir da topografia, com curvas de nível de metro em metro, e a batimetria do rio Doce, onde o espaçamento adotado entre as verticais para definição das profundidades nas seções foi de 3 metros. As seções batimétricas foram levantadas em regiões onde pudessem ocorrer variações no regime de escoamento, como trechos com mudança de declividade do fundo do canal, alargamento ou estreitamento da seção, presença de pontes ou obstruções. Foi constatado por Campos (2011) que a largura da calha e a profundidade do canal atingiram níveis menores para a batimetria, sendo notado em alguns pontos divergências de até 50 metros na profundidade e 30 metros nas calhas laterais. Tal observação o permitiu inferir que, somente a batimetria possui pontos de cotas representativos para esse tipo de estudo e, o maior erro que pode estar associado à modelagem hidráulica, provavelmente, é oriundo desta fonte. Contudo o autor entende que, dados de topografia e batimetria são caros e demandam tempo para serem obtidos, além do mais, estas informações sofrem alteração com o passar do tempo devido a processo de deposição ou remoção de sedimentos, o que altera significativamente as características observadas.
Assim como os autores anteriores, notou-se neste trabalho a diferença entre o MDE natural e o MDE que foi interpolado pela criação de curvas de nível em intervalos de 1 metro. Acredita-se que as maiores profundidades encontradas no modelo interpolado apresentou melhor resultado na mancha de inundação principalmente por ter identificado diferentes cotas, algumas vezes até 19 metros menores que no modelo natural, chegando portanto, a uma descrição mais próxima da realidade do terreno.
Guidoval e sua área de contribuição representam um cenário comum no Brasil, principalmente em bacias pequenas e médias, onde a ocorrência de inundações é frequente, mas os parâmetros necessários a sua quantificação são escassos e/ou imprecisos. Apesar de várias localidades brasileiras estarem defasadas de dados, o país ainda é carente de estudos que se adequem a essa realidade, avaliando e discutindo as possibilidades de quantificação dos eventos mesmo assim. Como ressaltado por Souza (2013a), as pesquisas acadêmicas têm pouca visibilidade e, raramente, são avaliadas em escala real. Dessa forma, os pequenos munícipios são os mais prejudicados, uma vez que as prefeituras destes locais não dispõem de informações básicas que os ajudem a elaborar um bom plano de saneamento que realmente se aplique àquela localidade.
Em Guidoval (2013) observa-se o que foi relatado por Souza (2013a), pois as diretrizes da macrodrenagem urbana dispostas no plano municipal de saneamento básico não são condizentes às necessidades do município. A primeira observação feita diz respeito à equação utilizada para previsão da chuva de recorrência centenária, onde é aplicada a IDF constante no software Plúvio 2.1 desenvolvido pelo Grupo de Pesquisas em Recursos Hídricos (GPRH), vinculado ao Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa (DEA – UFV). Segundo Pruski (2016), um dos responsáveis pelo software, as equações do Pluvio 2.1 seriam mais adequadas ao dimensionamento de obras de microdrenagem, já que, foram desenvolvidas baseadas em chuvas médias e não em máximas.
A segunda observação é relacionada às incongruências observadas no método de cálculo da vazão e ao resultado obtido. Guidoval (2013) refere-se primeiramente à área de contribuição do município como sendo de 739, 99 km², já em um segundo instante utiliza os métodos racional e I-PAI-WU para calcular a descarga em 814,64 km², os quais foram divididos em três bacias, com áreas 800 km², 3,13 km² e 11,51 km². Segundo o próprio plano de saneamento o método racional seria aplicado para bacias que não são complexas e tenham até 2 km² de área de drenagem e período de retorno menor ou igual a 50 anos, já o método I- PAI-WU seria aceito para bacias com áreas de drenagem de até 200 km², sem limitações quanto ao período de retorno. O valor obtido para a vazão máxima no plano de saneamento cujo período de retorno da precipitação é 100 anos foi de 871,81 m³/s, sendo este um valor distante dos 2.056 m³/s, simulados neste trabalho.
Em termos pluvio e fluviométricos a ANA disponibiliza registros de todo o território nacional, mas a densidade de postos de coleta de dados ainda é baixa e muitas vezes eles são insuficientes para os estudos das tendências nos regimes da precipitação e vazão, principalmente nos casos em que equações IDF precisam ser determinadas. Clark e Dias
(2002) já relatavam essa dificuldade dizendo que a grande maioria das estações na rede básica de monitoramento de precipitação observa apenas os totais diários e, além disso, as observações da intensidade da precipitação que são importantes para o planejamento de redes de drenagem urbana nem sempre são divulgados para uso geral. Os mesmos autores referem- se a estações que registram cotas de água, mas que não têm curvas-chave necessárias para a estimativa da vazão, as quais, frequentemente necessitam ser extrapoladas para estimar as descargas altas em períodos de enchentes.
Clark e Dias (2009) afirmam ainda que existe uma enorme base de dados pluviométricos que são coletados por instituições privadas ou mesmo por pessoas físicas que têm interesse no tema. Segundo os autores é necessário que o monitoramento, processamento e disponibilização dos dados tenham uma estrutura de gerenciamento, a qual deverá dar especial atenção ao atendimento das normas de observação e de qualidade instrumental no sistema observacional, podendo assim se beneficiar de um amplo programa de observações voluntárias, semelhante ao que existe em alguns países como nos EUA e na Inglaterra.
Tendo por referência os EUA, Cook e Merwade (2009) contam que o país através do Programa Nacional de Seguro Contra Inundações, em inglês National Flood Insurance
Program, e a Agência Federal de Gestão de Emergência, Federal Emergency Management Agency (FEMA), cria mapas de inundação que correspondem a eventos de 100 anos de
período de retorno. Segundo os autores a FEMA produziu cerca de 100.000 cartas de zonas inundáveis, abrangendo 150 mil milhas quadradas, algo em torno de 389 mil quilômetros quadrados, de área de várzea para 19.200 comunidades. Em 2004, a FEMA assumiu o Programa de Modernização de Mapas, Map Modernization Program (Mapa Mod), para fornecimento de bases digitais para armazenamento a baixo custo, manutenção, distribuição e atualização de informações de perigo de inundação. A atualização dos mapas para as comunidades propensas a inundação se dá através de redefinição das áreas de várzea por melhorias de mapas antigos e com o uso de dados topográficos mais recentes.
Graciosa (2010) reforça o que foi dito por Clark e Dias (2009) ressaltando que a carência de dados hidrológicos ainda é uma etapa a ser superada para dar amparo à gestão do risco de inundações. Segundo a autora, a maioria das sub-bacias não dispõe de séries históricas de precipitação e vazão suficientemente longas, ininterruptas e confiáveis, para calibrar os parâmetros dos modelos hidrológicos. Ela ainda completa dizendo que, além dos dados de vazão e precipitação, são necessárias cartas topográficas atualizadas e em escala adequada à geração de manchas de inundação, bem como cadastros atualizados das redes de
drenagem e que, não existe uma base única e acessível que permita sua aplicação em larga escala.
Rodrigues (2014) afirma que a limitação dos resultados de seu trabalho é devida à inexistência ou inacessibilidade de alguns dados fundamentais para a análise das condições topográficas e meteorológicas de sua área. Além disso, a falta de séries contínuas de dados e do registo histórico de cheias também influenciaram na dificuldade da calibração correta do modelo simulado com o HEC-HMS. A autora diz que seria importante a comparação de hidrogramas de cheia sintéticos com os hidrogramas observados de forma a validar a modelação.
Decina (2012) revela situação semelhante em seu trabalho quando relata que não foi possível realizar a calibração dos modelos devido à falta de dados observados de vazão ao longo do Córrego do Gregório. Para ele, os resultados obtidos permitem que se compare um cenário com outro quanto aos hidrogramas e áreas inundáveis, porém não representam com fidelidade a transformação chuva-vazão ocorrida na bacia hidrográfica e que, dessa forma, os hidrogramas e manchas de inundação resultantes devem ser compreendidos como estimativas da resposta da bacia aos eventos simulados.
Silva (2006) realizou simulações hidrológicas para quantificação de enchentes no município de Nova Era-MG no sistema IPHS1, sistema semelhante ao HEC-HMS que foi desenvolvido pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), com os modelos transformação chuva-vazão e propagação em canais por Muskingum-Cunge. Ele conta que, as maiores dificuldades para a execução do trabalho recaíram sobre a má qualidade das séries pluviográficas da bacia, o que impossibilitou simulações de eventos com os parâmetros calibrados dos modelos.
Para driblar a carência de registros de precipitação muitos autores recorrem à extrapolação das séries históricas baseadas em modelos de distribuição de probabilidade e avaliam a representatividade da amostra de dados com testes de aderência, sendo o KS um dos mais utilizados. Para avaliação de enchentes, as recorrências das precipitações são analisadas com base na frequência de chuvas máximas anuais, principalmente aquelas que representam eventos extremos, ou seja, de pequena ocorrência.
Devido ao pequeno número de registros pluviométricos, ou seja, séries com 30, 20 e até menos anos disponíveis, o teste KS é comumente aplicado a todos os dados da amostra. Tal aplicação pode mascarar a verdadeira tendência dos extremos máximos (destacados em vermelho, Figura 48 e Figura 49) caso o teste não seja complementar à análise visual dos gráficos gerados pelas probabilidades de excedência das máximas registradas e das obtidas
pelos modelos de distribuição. Gandini (2016) recomenda a visualização gráfica dos dados para que se possa ter um bom discernimento de qual distribuição escolher, visando àquela que garante uma melhor extrapolação dos dados, quando se trata de chuvas com recorrências altas. Um exemplo pode ser visto a seguir, nas Figura 48 e Figura 49 onde, comparando-se as distribuições de probabilidade Gumbel-Chow e Pearson da estação Seriquite, para igual a 0,205, a um nível de significância de 10%, sendo os parâmetros para cada distribuição 0,084 e 0,062, respectivamente, pelo KS, em termos de aderência, Pearson é mais adequada que Gumbel-Chow para representar a amostra. Ao realizar a análise pelos gráficos observa-se que Gumbel-Chow descreve melhor o comportamento dos extremos maiores, sendo, portanto, esta distribuição mais indicada do que Pearson para extrapolação das máximas.
O ideal é que as estações pluviométricas tivessem muitos anos de registros de precipitação, pois, dessa forma, a chance de terem ocorrido mais eventos de baixa frequência, característicos de tormentas, seria maior e isso permitiria que a tendência desses acontecimentos fosse avaliada de forma mais fidedigna. Rodrigues (2014) confirma isso em seu trabalho dizendo que, pode acontecer que o período de tempo utilizado não inclua os eventos de precipitação com maior intensidade, as quais originam as maiores cheias para cada período de retorno. Ela ainda diz que o ideal é trabalhar com o maior conjunto de dados contínuo possível que diga respeito, de preferência, a um período de tempo superior a 30 anos.
No caso referente à estação Seriquite, a máxima precipitação registrada para 34 anos de dados observados foi de 134 mm, o que corresponde a um evento de recorrência de aproximadamente 35 anos. Nos estudos de enchentes onde são avaliados TRs da ordem de