Defesa

Slide 1: Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia Hidráulica e Sanitária Defesa da Dissertação Sidnei Ono Sistema de Suporte a Decisão para Gestão de Água Urbana - URBSSD São Paulo, 18 de Junho de 2008

Slide 2: Sumário • Objetivo • Sistemas de Suporte a Decisão (SSD) • Metodologia • Sistemas de Informações Geográficas (SIG) • Modelo Hidrológico (CABC) • Modelo Hidráulico (CLIV) • Estudo de Caso (Cabuçu de Baixo) • Conclusões e Recomendações

Slide 3: Objetivo • Criar um Sistema de Suporte a Decisão para planejamento e projeto de controle de cheias em áreas urbanas com o uso de Sistemas de Informações Geográficas: URBSSD. • O SSD deve dar suporte para o planejamento de drenagem de bacia urbana. deve ser entendido como parte de um abrangente processo de planejamento urbano e coordenado com os demais planos, principalmente os de saneamento básico (água e esgoto), uso do solo e transportes.

Slide 4: Sistemas de Suporte a Decisão • Os Sistemas de Suporte a Decisão (SSD) constituem uma metodologia de auxílio à tomada de decisão baseada na intensa utilização de bases de dados e modelos matemáticos, bem como na facilidade com que propiciam o diálogo entre usuário e computador. computador • O decisor ou tomador de decisões é a figura central e “pensante” do SSD. O decisor deverá consultar o sistema como ferramenta e receber informações que serão utilizadas para melhorar a qualidade de suas decisões • Embora esteja se referindo no singular, o “decisor” não decisor necessariamente precisa ser apenas um usuário. As tomadas de decisões em conselhos, comitês e audiências públicas estão conselhos cada vez mais comuns e os decisores podem se posicionar em qualquer nível hierárquico.

Slide 5: Sistemas de Suporte a Decisão • BASE DE MODELOS é geralmente constituída por modelos matemáticos que reproduzem o comportamento do sistema real • BASE DE DADOS é o módulo em que deve alimentar a base de modelos com os dados necessários e armazenar os resultados para futuras análises e comparações. • MÓDULO DE Tomador de Decisões DIÁLOGO é constituído por Módulo de interfaces que Diálogo facilitam a Base de Base de comunicação entre Dados Modelos o usuário e o computador para Resultados fornecer dados, propor problemas, não satisfatórios? formular cenários e sim analisar resultados. Implementação

Slide 6: Metodologia URBSSD IN Uso e Ocupação do SIG (Dados TE RF Solo tabulares e AC E vetoriais) SI G CH TABELAS UV (CN, TC, Declividade, Áreas) A M CH ODE SATISFATÓRIO = NÃO UV LO M Seções A- VA HI ODE HIETOGRAMA Z DR L ÃO ÁU O Tormenta de LI CO Projeto HIDROGRAMAS LIMNIGRAMAS Vazões de Projeto Determinação dos Níveis Máximos do NA MAPA DE SATISFATÓRIO = NÃO INUNDAÇÃO CABC – Modelo Hidrológico CLIV – Modelo Hidráulico

Slide 7: Sistemas de Informações Geográficas • Os Sistemas de Informações Geográficas (SIG) podem ser definidos como um sistema que visa a coleta, armazenamento, manipulação, análise e apresentação de informações sobre entes com localização espacial Software ESRI ArcMap 9.2

Slide 8: SIG - Operações • Um método eficiente em estudos ambientais consiste nas sobreposições de mapas temáticos (“overlay”), onde cada camada ou plano de informação contém os dados de um único atributo. • Uma boa utilização do SIG em macrodrenagem é a sobreposição de informações do USO DO SOLO (A,B) com a MANCHA DE INUNDAÇÃO da região (1,2). Podendo obter quatro classificações de NUMERO CN (1A, 1B, 2A, 2B). A operação utilizada é a INTERSEÇÃO. (A,B)  (1,2) = (1A, 1B, 2A, 2B)

Slide 9: SIG – Operações - Overlay

Slide 10: SIG - Operações • Outra operação eficiente em SIG é realizar operações sobre redes, atribuindo valores em entes geográficos, capaz de interligar informações de pontos, retas e polígonos. Coordenada Coordenada Cota Tipo Nome X Y Fundo 1 0,00 1,90 Ponto Seção 1 739 2 2,00 0,00 Ponto Seção 2 741 3 3,80 0,10 Ponto Seção 3 740 4 0,80 2,00 Ponto Seção 4 741

Slide 11: SIG - Objetos • Classe ● Descreve grupo de objetos com propriedades semelhantes, mesmo comportamento e mesmos relacionamentos com outros objetos • Atributo ● Valor de uma característica do objeto BASE DE DADOS EM SHAPEFILE • Classe: Classe ● Bacia • Atributos: ● Talvegue ● TC ● CN ● Area_bacia

Slide 12: Metodologia URBSSD IN Uso e Ocupação do SIG (Dados TE RF Solo tabulares e AC E vetoriais) SI G CH TABELAS UV (CN, TC, Declividade, Áreas) A M CH ODE SATISFATÓRIO = NÃO UV LO M Seções A- VA HI ODE HIETOGRAMA Z DR L ÃO ÁU O Tormenta de LI CO Projeto HIDROGRAMAS LIMNIGRAMAS Vazões de Projeto Determinação dos Níveis Máximos do NA MAPA DE SATISFATÓRIO = NÃO INUNDAÇÃO CABC – Modelo Hidrológico CLIV – Modelo Hidráulico

Slide 13: Sub-módulo de Chuva • DADOS DE SAÍDA: Hietograma da bacia no formato de dados tabulares definidos por uma Equação de Chuvas (1), Eventos (2) e Entrada Manual (3)

Slide 14: Metodologia URBSSD IN Uso e Ocupação do SIG (Dados TE RF Solo tabulares e AC E vetoriais) SI G CH TABELAS UV (CN, TC, Declividade, Áreas) A M CH ODE SATISFATÓRIO = NÃO UV LO M Seções A- VA HI ODE HIETOGRAMA Z DR L ÃO ÁU O Tormenta de LI CO Projeto HIDROGRAMAS LIMNIGRAMAS Vazões de Projeto Determinação dos Níveis Máximos do NA MAPA DE SATISFATÓRIO = NÃO INUNDAÇÃO CABC – Modelo Hidrológico CLIV – Modelo Hidráulico

Slide 15: Modelo Hidrológico • São modelos matemáticos do tipo chuva x vazão para definição dos hidrogramas de projeto, em virtude da carência de dados fluviométricos que poderiam subsidiar análises estatísticas de cheias. MODELO UTILIZADO PELO URBSSD: CABC – FCTH

Slide 16: Modelo Hidrológico • O CABC é um modelo que emprega diferentes técnicas para determinação de chuvas excedentes e de hidrogramas de escoamento superficial. MÉTODO EMPREGADO: SOIL CONSERVATION SERVICE • O método assume que o armazenamento ao longo do tempo é proporcional ao volume precipitado, onde: Depende da capacidade de Abstração inicial P>0,2SD infiltração (areias – argilas) ( P  0,2  S D ) 2 Q ( P  0,8  S D ) Q = Deflúvio em mm 25400 SD   254 CN

Slide 17: Modelo Hidrológico MÉTODO DO HIDROGRAMA UNITÁRIO TRIANGULAR DO SCS • Dado inicial: tc = TEMPO DE CONCENTRAÇÃO • Duração da chuva unitária (D = 0,133⋅ tc) • O tempo de resposta = 0,6 x tempo de concentração (tl = 0,6⋅tc) • O tempo de pico = (tp = D/2+ tl) • O tempo de base = 5 x tempo de pico (tb = 5tp) • O tempo de recessão = 1,67 x tempo de pico (tr = 1,67tp) qp = vazões unitárias em m3/s*cm C = 2,083 CA qP  tP

Slide 18: Modelos Hidrológicos MÉTODO DO HIDROGRAMA UNITÁRIO TRIANGULAR DO SCS qp = vazão de pico (m3/s) Q = deflúvio (mm) C = 2,083 C  AQ qP  tP

Slide 19: Metodologia MÓDULO HIDROLÓGICO - CABC • Os DADOS DE ENTRADA são: ● Hietograma da bacia em formato de dados tabulares ● Características físicas da bacia: TC, Talvegue, Areas dos Trechos e CN

Slide 20: Metodologia URBSSD IN Uso e Ocupação do SIG (Dados TE RF Solo tabulares e AC E vetoriais) SI G CH TABELAS UV (CN, TC, Declividade, Áreas) A M CH ODE SATISFATÓRIO = NÃO UV LO M Seções A- VA HI ODE HIETOGRAMA Z DR L ÃO ÁU O Tormenta de LI CO Projeto HIDROGRAMAS LIMNIGRAMAS Vazões de Projeto Determinação dos Níveis Máximos do NA MAPA DE SATISFATÓRIO = NÃO INUNDAÇÃO CABC – Modelo Hidrológico CLIV – Modelo Hidráulico

Slide 21: Modelo Hidráulico • São modelos matemáticos que simulam o escoamento da água na superfície da bacia, nos rios, canais e reservatórios. • As modelações de maior interesse são os deslocamentos não permanentes, para os estudos de translação de ondas de permanentes enchente nos canais e galerias. • Principal produto: mancha de inundação MODELO UTILIZADO PELO URBSSD: CLIV – FCTH

Slide 22: Modelo Hidráulico • Derivados das equações básicas de Saint-Venant, o modelo utiliza as equações de Conservação da Massa (1) e Quantidade de Movimento (2), resolvidos por métodos numéricos. Q y (1) B  qL x t Onde: x: Coordenada longitudinal; B: Largura à superfície livre; t: Tempo; β: Coeficiente de Quantidade de Movimento; Q: Vazão líquida; qL: Vazão Líquida de contribuição lateral específica; y: Cota do nível da água; Sf: Inclinação da linha de energia; p: Perímetro molhado; v: Velocidade da contribuição lateral líquida; A: Área molhada; γ: Ângulo da contribuição lateral com o eixo do canal.

Slide 23: Modelo Hidráulico • Derivados das equações básicas de Saint-Venant, o modelo utiliza as equações de Conservação da Massa (1) e Quantidade de Movimento (2), resolvidos por métodos numéricos. Q   Q 2  dy (2)      g  A   g  A S f  q  v  cos  t x   A   dx Onde: x: Coordenada longitudinal; B: Largura à superfície livre; t: Tempo; β: Coeficiente de Quantidade de Movimento; Q: Vazão líquida; qL: Vazão Líquida de contribuição lateral específica; y: Cota do nível da água; Sf: Inclinação da linha de energia; p: Perímetro molhado; v: Velocidade da contribuição lateral líquida; A: Área molhada; γ: Ângulo da contribuição lateral com o eixo do canal.

Slide 24: Modelo Hidráulico APLICAÇÃO DO ESQUEMA EXPLÍCITO DE MACCORMACK • Os estudos desta aplicação obtiveram grande sucesso na simulação numérica dos escoamentos em canais regulares dotados de pontos singulares, ocorrência de ressaltos hidráulicos e variações de fundo. • O esquema de MacCormack considera um grid espaço-tempo. • Considera também dois grupos de representações finitas para uma grandeza genérica G, denominados predictor e corrector: G Gi*  Git G Gi*1  Gi* G t  Git  ...  ...G  i 1 t t x x 2 G Gi**  Gi* G Gi**  Gi*1 G *  Gi*1  ...  ...G  i t t x x 2

Slide 25: Metodologia MÓDULO HIDRÁULICO - CLIV • Os DADOS DE ENTRADA são: ● Hidrogramas de saída do CABC; ● Coeficiente de Manning e número de subdivisões para cada trecho; ● Shapefiles de pontos com atributos da seção transversal, como a Largura (X) e Profundidade (Y); ● Modelo Digital do Terreno (MDT) para a superfície da planície de inundação

Slide 26: Metodologia MÓDULO HIDRÁULICO - CLIV • Os DADOS DE SAÍDA: ● Limnigramas de saída do CLIV; ● Arquivos em CAD DXF com a mancha de inundação (envoltória de cotas máximas)

Slide 27: Limitações • No Módulo de Chuvas: ● Para bacias acima de 50 km2, é aconselhável simular a bacia no URBSSD dividido por sub-bacias, por causa da precipitação uniforme; ● Apenas é utilizado uma equação de chuva (Wilken) e o método do Blocos Alternados é considerada “conservadora”, sem utilizar um fator de redução. • Na interface SIG, os dados de entrada devem ser formatados com o modelo proposto dos shapefiles: ● A entrada de dados via shapefile deve ser editada num software externo; ● Cada shapefile deve conter os nomes dos parâmetros no mesmo formato e variável (por exemplo: atributos = “CN” ou “TC” e var = int ou float ou double). ● Um shapefile contem vários arquivos (*.shp, *.dbf, *.sbn, *.prj, *.sbx, *.shx e *.shp.xml). A falta de um destes arquivos compromete o funcionamento do módulo SIG.

Slide 28: Limitações • No Módulo Hidrológico: ● Os reservatórios só devem ser definidos através de curvas de descarga (tabela cota x vazão); ● Não é possível definir o tipo de estrutura de amortecimento de cheias (vertedores, dissipadores...); ● O método do cálculo de Hidrograma Unitário Adimensional do SCS utilizado pelo CABC pode não condizer com a realidade. • No Módulo Hidráulico: ● Dependendo da declividade, TR e condições de contorno nas extremidades do canal, o modelo CLIV, que utiliza o Método de MacCormack, pode-se tornar instável (problemas de “overflow”); ● O tempo de cálculo e o tempo de saída são fixados; ● As coordenadas dos pontos de seções do canal devem estar corretos para evitar erros na delimitação da mancha de inundação. ● As malhas de cotas que geram o MDT deve ser densa e precisa.

Slide 29: Estudo de Caso BACIA DO RIO CABUÇU DE BAIXO

Slide 30: Estudo de Caso CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA BACIA • Área de Estudo: Aproximadamente 42 km2 • Declividade do Talvegue: 1,1% a 2,8% (encosta Serra da Cantareira) • Área com alta, média e baixa taxa de ocupação. • Localiza-se entre área consolidada com mata nativa.

Slide 31: Estudo de Caso CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA BACIA • Densidade de Fluviometria (Registradores): 1:10.5 km2 ● Posto Campos Lemos ● Posto Vista Alegre ● Posto Imobel ● Posto Piscinão Bananal • Densidade Pluviométrica: 1: 1:10.5 km2 ● ETA Guaraú (DAEE) ● Subprefeitura Freguesia do Ó (PMSP) ● Bananal (campanhas) ● Itaguaçu (campanhas)

Slide 32: Estudo de Caso CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA BACIA Área i médio L Perímetro TC (h) Sub-Bacia (km2) (m/m) (km) (km) Bananal 13,61 0,033 6,5 17,5 1,6 Itaguaçu 7,11 0,0376 6,5 11,5 1,2 Bispo 3,7 0,0371 8,3 10,1 0,8 Guaraú 9,67 0,0267 8 19,4 1,8 Cabuçu de baixo 8,36 0,0017 7,5 19,9 1

Slide 33: Calibração ANÁLISE DE EVENTOS - 15/03/2002 18 16 Hidrograma - Posto Campos Lemos Hidrograma Obtido - URBSSD 14 12 Vazão (m3/s) 10 8 6 4 2 0 15:36 16:48 18:00 19:12 20:24 21:36 Horário (hh:mm) ANÁLISE DE EVENTOS - 05/03/2002 120 100 Hidrograma - Posto Campos Lemos Hidrograma Obtido - URBSSD 80 Vazão (m3/s) 60 40 20 0 -20 15:36 16:48 18:00 19:12 20:24 21:36 Horário (hh:mm)

Slide 34: Validação ANÁLISE DE EVENTOS - 07/03/2003 16 14 Hidrograma - Posto Campos Lemos Hidrograma Obtido - URBSSD 12 10 Vazão (m3/s) 8 6 4 2 0 16:45 17:15 17:45 18:15 18:45 19:15 19:45 20:15 20:45 21:15 21:45 Horário (hh:m m)

Slide 35: Estudo de Caso URBSSD para o CABUÇU DE BAIXO

Slide 36: Produtos • Mapa de Risco para Água Urbana

Slide 37: Produtos • Mapa Síntese do Programa de Recuperação e Preservação Ambiental (PRAP)

Slide 38: Produtos • Mapa do Parque Linear

Slide 39: Conclusões • O SSD desenvolvido é uma metodologia diferenciada e importante na análise da bacia urbana para dar suporte à gestão de rios urbanos; • Seus resultados são importantes para o planejamento ambiental, ecologia da paisagem, corredores verdes e wetlands. • A implantação do sistema de visualização em SIG no modelo foi essencial para a interface do software. • Normalmente os gestores não possuem tais conhecimentos específicos, por isso recomenda-se que um profissional com bons conhecimentos em hidrologia e geoprocessamento acompanhe o processo de simulação. • Utilizar modelos consagrados como CABC e CLIV foram importantes para o resultado final. O amplo conhecimento destes programas resolveram algumas “particularidades”. • O software pode ser “customizado” para cada bacia urbana.

Slide 40: Recomendações • O Software URBSSD deve ser constantemente atualizado para a dinâmica da computação atual (compatibilidade Windows); • A dinâmica do uso do solo é intensa em grandes cidades, não se pode ter a absoluta certeza de que as seções transversais medidas em dias anteriores vão permanecer as mesmas numa situação futura. Por isso, deve sempre calibrar o modelo; • O URBSSD pode ser utilizado como uma ferramenta de análise de qualidade da água e análise de sedimentos para outras bacias urbanas. Assim como pode ser uma ferramenta essencial para previsão de inundações associado a modelos de previsão de chuva. • Aperfeiçoar os módulos. • Ao implantar um URBSSD nas bacias urbanas, as medições de eventos de cheia são importantes, deve haver pelo menos um posto fluviográfico (ou telemétrico) à jusante e um posto pluviográfico com dados confiáveis.

Slide 41: Obrigado