hydraulic modeling of floods in the joÃo pinto river, using autodesk civil 3d and hec-ras

XX Simpsio Brasileiro de Recursos Hdricos

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MODELAGEM HIDRULICA DE CHEIAS NO RIO JOO PINTO UTILIZANDO AUTODESK CIVIL 3D E HEC-RAS

Rodrigo Costa Gonalves 1*; Lude Quieto Viana 2; Vincius Rios Barros 3; Luiz Antnio Moreira

Santanna 4; Maria Alice Silva Ferreira 5 Resumo Nos dias 02 e 03 de janeiro de 2013 ocorreu uma cheia extraordinria nos rios Joo Pinto e Capivari, situados no distrito de Xerm, pertencente ao municpio de Duque de Caxias RJ. Essa cheia provocou grande destruio nas reas adjacentes ao rio Joo Pinto, destruio amplamente noticiada nos meios de comunicao de massa. Esse artigo tem como finalidade empregar uma metodologia de modelagem de cheias, integrando softwares de Modelagem de Informaes de Construes (BIM) Autodesk CIVIL 3D e de modelagem computacional hidrodinmica - HEC-RAS, de modo que seja possvel representar o fenmeno ocorrido, auxiliando assim no entendimento das causas e consequncias da cheia, e vislumbrando solues para minimizar o efeito das cheias na rea. Os resultados mostraram que os softwares empregados apresentam boa interface, constituindo ferramentas simples e eficientes na estimao dos fenmenos de cheia. Palavras-Chave Modelagem hidrulica, CIVIL 3D, HEC-RAS

HYDRAULIC MODELING OF FLOODS IN THE JOO PINTO RIVE R, USING AUTODESK CIVIL 3D AND HEC-RAS

Abstract On January 2 and 3 of 2013, there was an extraordinary flood in Joo Pinto and Capivari rivers, situated in the district of Xerm, which belongs to the municipality of Duque de Caxias - RJ. This flood caused great destruction in the adjacent areas of the river Joo Pinto, being widely reported in the news. This article aims to employ a methodology for modeling floods, integrating softwares of building information modeling (BIM) - Autodesk CIVIL 3D and of hydraulic modeling - HEC-RAS, so that it could be possible to represent the phenomenon occurred, aiding in the understanding of the causes and consequences of the flood, and envisioning solutions to minimize the effects of flooding in the area. The results showed that the softwares have good software interface between them, providing simple tools and efficient in estimating flood phenomena. Keywords Hydraulic modeling, CIVIL 3D, HEC-RAS

1 Engenheiro Civil da SONDOTCNICA S/A e Mestre em Cincias na rea de Recursos Hdricos pelo Programa de Engenharia Civil da COPPE/UFRJ, Rua Voluntrios da Ptria, 45 7 andar, CEP 22270-900, Botafogo, Rio de Janeiro/RJ, Tel. (0xx21) 2102-7138. E-mail [email protected] * 2 Engenheira Civil da SONDOTCNICA S/A e Mestre em Cincias na rea de Recursos Hdricos pelo Programa de Engenharia Civil da COPPE/UFRJ, Rua Voluntrios da Ptria, 45 7 andar, CEP 22270-900, Botafogo, Rio de Janeiro/RJ, Tel. (0xx21) 2102-7138. E-mail [email protected] 3 Engenheiro Agrcola do INEA, M.Sc. em Recursos Hdricos pela COPPE/ UFRJ e-mail: [email protected] 4 Engenheiro Civil da SONDOTCNICA S/A, Rua Voluntrios da Ptria, 45 7 andar, CEP 22270-900, Botafogo, Rio de Janeiro/RJ, Tel. (0xx21) 2102-7122. E-mail [email protected] 5 Engenheira Civil do INEA - Gerncia de Estudos e Projetos - Diretoria de Recuperao Ambiental e-mail: [email protected]


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1. INTRODUO

O engenheiro de recursos hdricos tem como tarefa recorrente a modelagem de cheias, incluindo a definio das plancies de inundao, para determinao da capacidade de escoamento de calhas e de estruturas hidrulicas existentes, assim como a definio de reas eventualmente atingidas no caso de cheias extraordinrias.

O presente artigo visa apresentar uma metodologia relativamente simples de simulao de cheias e plancies de inundao, utilizando um software de engenharia que suporta processamento de terreno (Autodesk Civil 3D), mostrando a interface do mesmo com o renomado programa computacional de simulao hidrodinmica, HEC-RAS, desenvolvido pelo Corpo de Engenheiros do Exrcito Norte Americano.

importante ressaltar que o programa HEC-RAS, como definido pelo prprio manual (USACE, 2010), um programa de modelagem hidrulica unidimensional. O problema de simulao de plancies de inundao um problema de natureza bi/tridimensional. Os programas unidimensionais, embora sejam eficientes e menos exigentes em termos de capacidade computacional e complexidade de utilizao, possuem inabilidade para simular a difuso lateral e a representao da topografia como sees transversais, e no uma superfcie.

No entanto, Cook (2008) apresenta em suas concluses que, embora na maior parte dos casos a modelagem bidimensional acarrete maior plancie de inundao do que a modelagem unidimensional, o aumento do nmero de sees transversais, quando retiradas de um modelo digital de alta resoluo pode fazer com que os resultados sejam equivalentes em ambas as abordagens.

O presente trabalho testa a metodologia proposta no rio Joo Pinto, que sofreu uma cheia excepcional no incio do ano de 2013, deixando desabrigados e causando destruio s construes no seu entorno.

2. ESTUDO DE CASO

O rio Joo Pinto nasce na serra do Couto, dentro da reserva biolgica do Tingu, no Estado do Rio de Janeiro, em altitudes de cerca de 1.100 metros. Esse rio se desenvolve em um percurso de cerca de 10 quilmetros at se encontrar com o rio Registro e formar o rio Capivari. No existem postos fluviomtricos nem medies regulares de vazo no rio Joo Pinto.

A Figura 1, a seguir, mostra a macrolocalizao do rio Joo Pinto.


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Figura 1 Macrolocalizao do rio Joo Pinto

Entre os dias 02 e 03 de janeiro de 2013, uma forte chuva caiu sobre as bacias consideradas

no presente estudo. Esse evento chuvoso pde ser mensurado por meio de duas estaes pluviomtricas

automticas, ambas situadas em Xerm com suas localizaes em relao s bacias de estudo mostradas na Figura 1. Uma estao operada pelo INEA6, enquanto a segunda operada pelo INMET7. A precipitao acumulada em 24 horas, registrada nos dois postos, ficou em torno de 240 milmetros. A Figura 2 mostra o registro de precipitao acumulada, nas duas estaes citadas.

6 INEA Instituto Estadual do Ambiente Sistema de alerta de cheias Estao Xerm Mantiquira http://inea.infoper.net Acesso em Janeiro

de 2013 Cdigo HIDROWEB/ANA da Estao: 02243238 7 INMET Instituto Nacional de Meteorologia Estaes Automticas - http://www.inmet.gov.br/sonabra/maps/automaticas.php - Acesso em

Janeiro de 2013 Cdigo HIDROWEB/ANA da Estao: 02243162

RIO JOO PINTO

RIO CAPIVARI

RIO REGISTRO

LIMITE DAS BACIAS

POSTO INEA

POSTO INMET


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Figura 2 Precipitaes Acumuladas em Xerm/RJ Evento de janeiro de 2013

A regio do rio Joo Pinto foi a mais afetada pelas chuvas. Nessa rea, foi constatada a perda

de uma vida humana e perdas materiais diversas, como dezenas de casas e algumas ruas marginais aos rios. Houve grande movimento de blocos de rocha e solo da parte alta da bacia at a confluncia com o rio do Registro. A Figura 3 mostra os danos ocorridos no rio Joo Pinto.

Figura 3 Rio Joo Pinto Efeito das cheias


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3. METODOLOGIA

3.1. Dados Utilizados

Os dados topogrficos utilizados foram provenientes de um levantamento aerofotogramtrico feito em 1998, cujos dados so disponibilizados em cartas de escala 1:2.000 pela extinta fundao CIDE, agora Fundao CEPERJ - Centro Estadual de Estatsticas Pesquisas e Formao de Servidores Pblicos do Rio de Janeiro. Esses dados foram utilizados, pois retratam a condio do crrego antes das modificaes decorrentes da cheia.

3.2. Gerao do Modelo Digital do Terreno (MDT)

Segundo Probert e Wedding (2008) uma superfcie no Civil 3D construda com base em princpios matemticos de geometria plana. Cada face de uma superfcie baseia-se em trs pontos que definem um plano. Cada um destes planos triangulares compartilha um lado com outro tringulo, e uma superfcie contnua assim construda. Esta metodologia normalmente referida como uma rede irregular triangular - TIN, em ingls. Isso feito com base na triangulao de Delaunay, significando que para qualquer ponto (x, y), pode haver apenas um nico valor de elevao (z) dentro da superfcie. A Figura 4, abaixo, ilustra uma vista da superfcie elaborada.

Figura 4 Superfcie gerada no Civil 3D Modelo Digital do Terreno

3.3. Gerao das Sees Transversais

De posse do modelo digital do terreno (MDT), efetuou-se o traado de um alinhamento sobre o rio Joo Pinto, e, a seguir, geraram-se sees transversais desse alinhamento no terreno. O alinhamento estendeu-se por 1.050 metros e foram retiradas sees transversais a cada 50 metros, aproximadamente.

O software Civil 3D 2013 possui uma facilidade na interface com o HEC-RAS, possuindo nativamente uma funo de exportao de dados geomtricos e sees transversais para o HEC-RAS. gerado um arquivo de formato .GEO, que diretamente importado no mdulo de dados geomtricos da simulao no HEC-RAS.


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3.4. Simulao no HEC-RAS

Aps a importao dos dados de seo, prosseguiu-se com a entrada dos dados necessrios para a simulao. Decidiu-se por fazer uma simulao permanente gradualmente variada, simulando diversos cenrios com valores de vazo distintos, de modo a determinar a capacidade de conduo da calha do rio.

Sendo um canal natural em solo, decidiu-se tambm pela adoo de coeficiente de manning para a calha principal de 0,030, valor mdio proposto por Chow (1945) para canal limpo, sem irregularidades notveis no fundo. Para a plancie de inundao adotou-se o mesmo valor, visto que o modelo no apresentou sensibilidade significativa ao aumento do coeficiente de rugosidade para alm das margens.

Como condio de contorno, tanto de montante quanto de jusante, decidiu-se por estabelecer nveis de escoamento uniforme permanente.

Estudos hidrolgicos apresentados em Sondotcnica (2013) indicam que as vazes de cheia estimadas por mtodos chuva-vazo vo de 53 m/s para recorrncia de 5 anos, chegando a 157 m/s para recorrncia de 100 anos. As vazes simuladas no presente estudo foram de 10, 50, 100, 150 e 200 m/s.

4. RESULTADOS

A Figura 5 mostra os perfis da linha dgua resultante das simulaes para as diferentes vazes, onde WS significa a elevao do nvel dgua, Ground a elevao do fundo, LOB a elevao da margem esquerda e ROB a elevao da margem direita.

Figura 5 Resultados do Clculo da Linha dgua - Perfis


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Para uma vazo de 100 m/s, segue-se ainda, na Figura 6, o perfil de velocidades mdias alcanadas na simulao computacional. No houve medies de velocidades em campo para validar esses resultados.

Figura 6 Perfil de velocidades para Q=100m/s

Ainda com o mdulo RAS Mapper, contido dentro do programa HEC-RAS, foi possvel

modelar a extenso da inundao para vazes excepcionais. A Figura 7 mostra a extenso da inundao para uma vazo de 150 m/s.

Figura 7 Extenso da inundao Q = 150 m/s

REA INUNDADA

EIXO DO RIO JOO PINTO


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5. CONCLUSES

Quando se compara os resultados da modelagem computacional de plancie de inundao com a avaliao in loco da extenso da rea afetada, conclui-se que as vazes, na ocasio da cheia de janeiro de 2013, podem ter chegado a cerca de 150 m/s. Esse valor de vazo, segundo o estudo hidrolgico de Sondotcnica (2013), corresponde a uma recorrncia de aproximadamente 100 anos.

No perfil de linha dgua da Figura 5, verifica-se que o rio Joo Pinto, como modelado, possui uma alta condutividade hidrulica por ter uma declividade de fundo acentuada. No entanto, para vazes de cerca de 50 m/s, a modelagem do rio j apresenta alguns extravasamentos pontuais, e para vazes acima de 100m/s, o extravasamento generalizado. Embora tenha capacidade de conduzir altas vazes em sua calha, as velocidades de fluxo atingiram valores muito elevados, chegando a 6 m/s para o cenrio de 100 m/s, com tenses de arraste de cerca de 200 N/m, o que acarretaria em eroso intensa em toda calha, carreamento de solos e at blocos de rocha.

importante atentar para as eroses acentuadas que aconteceram nas cheias extraordinrias, e que foram confirmadas nos resultados das tenses de arraste das simulaes realizadas. Deve-se, portanto, respeitar as faixas marginais de proteo de modo que essas eroses no alcancem moradias e ruas, e recomenda-se que sejam planejadas protees de margens adequadas para resistir a essas eroses.

Como continuidade desse trabalho, recomenda-se a execuo da simulao computacional hidrulica bi-dimensional nas mesmas condies apresentadas, com a comparao dos resultados obtidos, para que se possa avaliar melhor o desempenho da metodologia aqui apresentada na previso de plancies de inundao.

AGRADECIMENTOS

empresa Sondotcnica, pela liberao para que o presente artigo fosse aqui apresentado, em paralelo com as atividades realizadas de consultoria tcnica.

Ao INEA, Instituto Estadual do Ambiente, e ao INMET, Instituto Nacional de Meteorologia, pela disponibilizao de dados hidrometeorolgicos.

Ao CIDE, agora Fundao CEPERJ - Centro Estadual de Estatsticas Pesquisas e Formao de Servidores Pblicos do Rio de Janeiro pela disponibilizao das cartas topogrficas.

REFERNCIAS

Chow, V. T., (1945), Open-channel hydraulics. McGraw-Hill, New York, 680 p.

Cook, A. C. (2008) Comparison of one-dimensional HEC-RAS with two-dimensional FESWMS model in flood inundation mapping, Dissertao de M. Sc., Purdue University, West Lafayette, Indiana , Estados Unidos.

Probert, D., Wedding, J. (2008). Mastering Autocad Civil 3D 2008. Sybex/ Wiley Publishing. San Francisco/ CA, Estados Unidos, 806 p.

SONDOTCNICA (2013). Obras de controle de inundao e recuperao ambiental Projeto bsico - Relatrio de hidrologia - Rios Joo Pinto, Registro e Capivari.

USACE (2010). HEC-RAS River Analysis System Hydraulic Reference Manual version 4.1.0, US Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center, Davis, CA Estados Unidos.

hydraulic modeling of floods in the joÃo pinto river, using autodesk civil 3d and hec-ras

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