PREFEITURA MUNICIPAL DE IBIRAMA-SC

PREFEITURA MUNICIPAL DE IBIRAMA - SC

ESTUDO HIDOLÓGICO PARA A CONSTRUÇÃO DE UMA PONTE SOBRE O RIO ITAJAÍ DO NORTE OU

HERCILIO NO MUNICIPIO DE IBIRAMA – SC

Ademar Cordero

Engenheiro Civil - UCPELMestre em Recursos Hídricos e Saneamento – UFRGS/IPHDoutor em Engenharia Hidráulica – Politécnico de Milão/Itália

Ibirama, 01 de agosto de 2014.

Estudo hidrológico das vazões máximas na bacia do rio Itajaí do Norte no município de Ibirama - SC

1. APRESENTAÇÃO

Um dos principais problemas que pode ocorrer na construção de uma ponte é a influência que ela pode exercer sobre as vazões do rio, principalmente nas vazões de enchentes, isto é, por exemplo, se no local é realizado um estrangulamento da calha do rio ou se a ponte estiver muito baixa em relação ao leito do rio, a mesma poderá contribuir para o agravamento das inundações nas regiões ribeirinhas localizadas principalmente a montante da ponte. Assim a seção do rio onde está projetada a ponte deve ter capacidade para o escoamento das grandes vazões.

Quando uma vazão ultrapassa um determinado valor, pode ocorrer o trasbordamento da calha principal do rio e neste caso ocorrem inundações nas planícies. Essas inundações poderão trazer problemas de ordem econômica e social ao homem, principalmente nas áreas com maior ocupação. Os problemas resultantes das inundações dependem do grau de ocupação, das zonas sujeitas as inundações e da frequência com que elas ocorrem (Cordero et al., 2000). Uma área sujeita a inundação pode estar localizada em zonas urbanas ou rurais. As áreas urbanas podem estar ocupadas por edificações com fins habitacional, comercial ou industrial. Já nas zonas rurais as áreas podem estar ocupadas por residências, agroindústrias ou agropecuárias.

A vazão máxima de um rio é entendida como sendo o valor associado a um risco de ser igualado ou ultrapassado. A vazão máxima é utilizada na previsão de enchentes e em projetos de obras hidráulicas tais como: canais, bueiros, condutos, diques de proteção contra inundações, extravasores de barragens, seções de escoamento de pontes, entre outros. A estimativa destes valores tem importância decisiva nos custos e na segurança dos projetos de engenharia.

No dimensionamento, as vazões devem reproduzir condições criticas possíveis de ocorrer com um determinado risco. Estas condições são identificadas dentro das mais desfavoráveis. Deve-se definir o risco de um projeto de acordo com seus objetivos e, dentro destas condições de risco, explorar as situações mais desfavoráveis. Por exemplo, no dimensionamento da microdrenagem urbana o período de retorno que deveríamos adotar é de 5 a 25 anos. Já para a macrodrenagem o período de retorno adotado fica entre 50 a 500 anos dependendo da obra a ser executada. No caso de dimensionamento de vertedores de grandes barragens deve ser considerado um risco mínimo, devido ao impacto de um possível rompimento da barragem que poderia ser catastrófico, o período de retorno que tem sido considerado para o dimensionamento de vertedores é de 10.000 anos (Cordero e Péricles, 2003).

Pinto et al. (1976) comentam que vazão máxima pode ser estimada por vários métodos, os quais podem ser classificados em quatro grupos: fórmulas empíricas, métodos estatísticos, método racional e métodos hidrometeorológicos. Os métodos existentes fornecem valores mais ou menos aceitáveis, dependendo sempre do senso de julgamento e da experiência do projetista a aplicação correta dos resultados obtidos. A escolha de um ou de outro método depende principalmente, do tipo de informação existente e do tamanho da bacia hidrográfica.

O presente estudo trata de estudo hidrológico da bacia do rio Itajaí do Norte, para a construção de uma ponte que será construída no Município de Ibirama/SC.

2. CARACTERIZAÇÃO DO EMPREENDEDOR

Prefeitura Municipal de Ibirama - SCRua Dr. Getúlio Vargas, 70 – CentroCEP: 89.140-000CNPJ: 83.102.418/0001-37

Ademar Cordero – Engenheiro Civil/Doutor em Engenharia Hidráulica

2

Estudo hidrológico das vazões máximas na bacia do rio Itajaí do Norte no município de Ibirama - SC

3. DESCRIÇÃO DO EMPREENDIMENTO

A ponte que a Prefeitura Municipal de Ibirama/SC deseja construir é de concreto e ligará as Ruas Leopoldo Monich e Marcílio João da Silveira. A ponte terá 100 m de extensão por 15 m de largura e se localiza nas coordenadas geográficas 27°03’26’’S e 49°31’12”.

4. ÁREA DO ESTUDO

A bacia do rio Itajaí (Figura 1) está localizado na região leste do estado de Santa Catarina e seu rio principal é o Itajaí-Açu que deságua no oceano Atlântico. A bacia possui uma área aproximadamente de 15.000,00 km2, um perímetro de 700,0 km e 72 municípios que estão totalmente ou parcialmente dentro da bacia. Toda a área da bacia do Itajaí está inserida no bioma da Mata Atlântica. O Vale do Itajaí está em uma região de considerável conversação das vegetações pioneiras, principalmente levando-se em consideração o cenário apresentado pelo bioma da Mata Atlântica em geral. O uso do solo fora das áreas urbanas está mais concentrado nas atividades agropecuárias.

O tipo climático predominante é o mesotérmico úmido. A temperatura média anual na bacia do Itajaí é de 21°C. No inverno, a temperatura raramente fica abaixo dos 5°C, nos meses mais quentes, a temperatura chega até 43°C nas regiões mais baixas do médio Vale. A precipitação média anual fica em torno dos 1700,00mm e umidade do ar fica em torno de 84 %.

As chuvas na bacia hidrográfica do rio Itajaí são bem distribuídas ao longo do ano, sendo que nas estações mais quentes elas são maior intensidade, mas geralmente de curta duração. Nas estações mais frias elas são menos intensas, mas mais duradouras. Sendo que, no Vale do Itajaí, tem sido registrada enchentes em todos os meses do ano. As maiores enchentes têm sido registradas nos meses mais frios do ano, isto é devido à maior influência das frentes frias que exercem na quantidade das precipitações, na duração e na sua distribuição sobre a bacia.

As enchentes e inundações na bacia do rio Itajaí têm-se constituído, ao longo do tempo, no principal desastre natural no estado. A partir da região litorânea, onde o crescimento demográfico é mais intenso, espaços sujeitos as inundações foram ocupadas sem um planejamento adequado. Esta ação antrópica tem provocado uma série de alterações no meio físico natural, tais como desmatamentos, impermeabilizações, edificações e detritos urbanos, alterando significativamente o tempo de retenção e a capacidade de absorção das águas de chuva e dificultando a capacidade de escoamento dos cursos d’água.

A bacia do rio Itajaí tem cinco sub-bacias principais, sendo: a do rio Itajaí do Sul, a do rio Itajaí do Oeste, a do rio Itajaí do Norte (local do nosso estudo), a do rio Benedito e a do rio Itajaí Mirim.

Ademar Cordero – Engenheiro Civil/Doutor em Engenharia Hidráulica

3

Estudo hidrológico das vazões máximas na bacia do rio Itajaí do Norte no município de Ibirama - SC

Fonte: Marcuzzo et al., (2011).Figura 1 – Altimetria da bacia do Itajaí.

Tabela 1 – Área e perímetro dos principais rios do Vale do Itajaí.

Fonte: Marcuzzo et al., (2011).

Ademar Cordero – Engenheiro Civil/Doutor em Engenharia Hidráulica

4

Estudo hidrológico das vazões máximas na bacia do rio Itajaí do Norte no município de Ibirama - SC

Figura 1. Bacia do rio Itajaí.

5. BACIA DO RIO ITAJAI DO NORTE

A ponte que se deseja construir fica localizada no rio Itajaí do Norte. A bacia do rio Itajaí do Norte

Ademar Cordero – Engenheiro Civil/Doutor em Engenharia Hidráulica

5

Estudo hidrológico das vazões máximas na bacia do rio Itajaí do Norte no município de Ibirama - SC

Figura 2 - Bacia do rio Itajaí do Norte.

6. DADOS FLUVIOMÉTRICOS

Os dados fluviométricos relativos ao da bacia do rio Itajaí do Norte, em Ibirama/SC, foram obtidos do site da Agencia Nacional da Água - ANA. Na cidade de Ibirama tem uma estação fluviométrica com informações de níveis do rio Itajaí do Norte desde 1928. O local do estudo fica um pouco a montante da estação fluviométrica da ANA, conforme é mostrado na Figura 2. A série dos níveis máximos anuais, extraída do site da ANA, é apresentado na Figura 3.

Ademar Cordero – Engenheiro Civil/Doutor em Engenharia Hidráulica

6

Estudo hidrológico das vazões máximas na bacia do rio Itajaí do Norte no município de Ibirama - SC

Figura 3 – Série anual dos níveis máximos rio Itajaí do Norte.

7. ESTATÍSTICA DAS VAZÕES MÁXIMAS

7.1 Vazões Máximas

A vazão máxima de um rio é entendida como sendo o valor associado a um risco de ser igualado ou ultrapassado. A vazão máxima é utilizada na previsão de enchentes e em projetos de obras hidráulicas tais como: canais, bueiros, pontes, condutos, diques, extravasores de barragens, entre outros. A estimativa destes valores tem importância decisiva nos custos e na segurança dos projetos de engenharia.

Tucci (1993) descreve que a vazão máxima pode ser estimada com base aos seguintes critérios: a) no ajuste de uma distribuição estatística, b) na regionalização de vazões, e c) na precipitação. Quando existem dados históricos de vazão no local de interesse e as condições da bacia hidrográfica não se modificam, pode ser ajustada uma distribuição estatística. Quando não existem dados ou existe, mas a série é pequena, pode-se utilizar a regionalização de vazões ou as precipitações.

7.2 Distribuições estatísticas

Segundo Tucci (1993) as principais distribuições estatísticas utilizadas em hidrologia para o ajuste de vazões máximas são: Empírica, Log-Normal, Gumbel e Log-Pearson III. Neste trabalho foi utilizada a distribuição estatística de Gumbel e Log- Normal, por ser os mais utilizados nestes casos.

7.3 Método de Gumbel

O método a seguir apresentado foi descrito por Cordero e Péricles (2003). Com base na teoria dos extremos de amostras ocasionais, Gumbel demonstrou que, se o número de vazões máximas anuais tende para o infinito, a probabilidade Pi de qualquer uma das máximas ser maior ou igual do que um certo Xi é dada pela equação:

Ademar Cordero – Engenheiro Civil/Doutor em Engenharia Hidráulica

7

Estudo hidrológico das vazões máximas na bacia do rio Itajaí do Norte no município de Ibirama - SC

(1)

onde:e é a base dos logaritmos neperianos,yi é a variável reduzida, dada por:

yi = a (Xi – Xf ) (2)onde:

a é um parâmetro,Xi é um certo valor da variável aleatória X (vazões máximas anuais),Xf = μ – 0,450 σ para n → ∞ (μ é a média do universo e σ o desvio padrão do universo).Na prática, não se tem um número suficiente de dados para se considerar n → ∞. Gumbel

calculou os parâmetros Xf e a pelas seguintes expressões:Xf = - Sx ( / Sn) (3)a = Sn/ Sx (4)

onde: é a média da variável X (vazões máximas), e Sn a média e o desvio padrão da variável reduzida (valores tabelados em função do

número de dados),Sx é o desvio padrão da variável X.

7.4 Papel de Gumbel

Uma outra facilidade que se pode usar para aplicar esse método é o papel de Gumbel. Nesse papel, as ordenadas são os valores da variável (X) (aqui as vazões) em escala aritmética; as abscissas são as variáveis reduzidas (y) em escala aritmética. Paralelamente às abscissas, na parte superior do papel, e, em correspondência a cada valor da variável reduzida (y), podem ser plotados os valores dos períodos de retornos (T), de acordo com a seguinte expressão (Villela e Mattos, 1975):

(5)

Com os dados de X(vazões) calculam-se os valores de y e T e plotam-se no papel de Gumbel.Os pontos devem ficar alinhados e passar pelo ponto teórico:

y = 0,579 e T= 2,33 anos,

que corresponde ao valor X = quando se tem um número infinito de dados. Isto mostra que o período de retorno teórico, pela distribuição de Gumbel, da vazão média é 2,33 anos.

7.5 Posição de plotagem

Segundo Kimball a posição de plotagem utilizada na verificação do ajuste dos valores da amostra para a distribuição de Gumbel é a seguinte:

T = (n+1)/(m) (6)onde n e m é o número de dados e a ordem dos mesmos respectivamente.

7.6 Série usada neste estudo

Ademar Cordero – Engenheiro Civil/Doutor em Engenharia Hidráulica

8

Estudo hidrológico das vazões máximas na bacia do rio Itajaí do Norte no município de Ibirama - SC

A série usada neste estudo, foi a das cheias máximas anuais, registrados na estação fluviométrica de Ibirama. Nesta estação verificamos que existe registro sistemático de níveis do rio Itajaí do Norte a partir de 1928. Portanto a partir de 1928 até 2014 levantamos 87 anos de dados.

A série de cheias máximas anuais em Ibirama usada neste estudo é apresentada na Tabela3. Estes dados foram extraídos do site da ANA (Agencia Nacional da Água).

Tabela 3. Níveis máximos do rio Itajaí do Norte em Ibirama.

DataNível

Máximo DataNível

Máximo DataNível

Máximo DataNível

Máximo(ano) (m) (ano) (m) (ano) (m) (ano) (m)1928 1,92 1951 3,23 1974 3,64 1997 3,561929 2,89 1952 2,71 1975 5,34 1998 3,401930 2,60 1953 3,72 1976 3,91 1999 3,621931 4,48 1954 4,16 1977 3,76 2000 2,981932 3,68 1955 4,33 1978 4,43 2001 4,161933 3,96 1956 3,26 1979 4,60 2002 2,561934 3,33 1957 5,10 1980 7,46 2003 2,101935 5,20 1958 3,14 1981 3,30 2004 3,481936 3,44 1959 3,02 1982 3,62 2005 2,861937 3,42 1960 3,02 1983 7,30 2006 1,581938 3,91 1961 4,16 1984 6,70 2007 3,001939 5,00 1962 3,31 1985 2,50 2008 3,501940 2,27 1963 3,09 1986 2,56 2009 3,301941 2,24 1964 2,80 1987 3,70 2010 3,801942 3,26 1965 3,67 1988 3,97 2011 4,561943 3,51 1966 4,40 1989 5,54 2012 2,701944 2,13 1967 2,99 1990 3,61 2013 4,571945 2,98 1968 2,38 1991 3,14 2014 4,631946 3,93 1969 4,10 1992 5,90 1947 3,34 1970 3,01 1993 3,33 1948 4,36 1971 4,50 1994 3,15 1949 2,86 1972 4,44 1995 2,77 1950 3,58 1973 4,99 1996 2,76

Podemos verificar, na Tabela 3, que as três maiores enchentes ocorreram no ano de 1980, 1983 e 1984. A enchente de 1980 ocorreu devido ao rompimento da ensecadeira que foi construída para a construção da Barragem Norte. Assim que descartando a de 1980 a maior enchente ocorrida em Ibirama, dede o início do registro dos dados foi a de 1983 que atingiu um nível de 7,30 m.

7.7 Aplicações dos métodos Log-Normal e de Gumbel

O estudo foi realizado com as vazões e não com os níveis, inicialmente foram transformados os níveis em vazão pela curva-chave de Ibirama, após as vazões foram ordenadas em ordem decrescente e determinado o período de retorno (T) pela Equação de Kimball (6) e a variável reduzida (y), utilizando a Equação (5) isolando o y, para cada vazão de enchente. Em seguida foram plotados, com o auxilio do Excel, as vazões com as respectivas variáveis reduzidas para o método de Gumbel e com o período de retorno para o método Log-Normal. Após, foi ajustada de forma

Ademar Cordero – Engenheiro Civil/Doutor em Engenharia Hidráulica

9

Estudo hidrológico das vazões máximas na bacia do rio Itajaí do Norte no município de Ibirama - SC

automática uma reta e sua respectiva equação para cada um dos métodos. As Figuras 4 e 5 mostram a reta que foi ajustada nos métodos de Gumbel e Log-Normal com suas respectivas equações. Com as equações foram determinados os valores das vazões e seus respectivos níveis, para diversos períodos de retorno. Estes valores estão apresentados na Tabela 4.

Figura 4 – Método estatístico de Gumbel.

Figura 4 – Método estatístico Log-Normal.

Ademar Cordero – Engenheiro Civil/Doutor em Engenharia Hidráulica

10

Estudo hidrológico das vazões máximas na bacia do rio Itajaí do Norte no município de Ibirama - SC

Tabela 4. Vazões e níveis com os períodos de retornos para Ibirama.

Podemos observar que para o período de retorno de 100 anos a vazão maior foi obtida pelo Método Log-Normal. Esta vazão de 2432,5 m3/s é a mínima recomendada para passar na seção do rio sem a interferência da ponte.

7.8 Altura da Ponte

Para verificar se a altura da ponte está dentro das recomendações, isto é, se a seção que fica em baixo da ponte consegue deixar passar uma vazão correspondente ao período de retorno de 100 anos, que é de 2432,5 m3/s, vamos aplicar a Equação de Manning.

7.8.1 Equação de Manning

Esta fórmula é mais usada no Brasil para estudos de canais abertos. Dá-se o nome canais abertos quando a parte superior do líquido está sujeita à pressão atmosférica; o movimento não depende, como nos condutos forçados, da pressão existente, mas da inclinação do fundo do canal e da superfície da água e da rugosidade do rio.

Nesses tipos de canais, encontram-se os cursos d’água naturais, os canais artificiais de irrigação e drenagem, os condutos de drenagem subterrânea, os aquedutos abertos, os condutos de esgotos e, de um modo geral, as canalizações fechadas onde o líquido não enche completamente a seção do escoamento.

Fórmula de Manning para a vazão (8)

onde: Q é a vazão, m3/sA é a área da seção, m2

n é o coeficiente de rugosidade da parede RH é o raio hidráulico, m

I é a declividade do fundo do canal, m/m

Ademar Cordero – Engenheiro Civil/Doutor em Engenharia Hidráulica

11

Estudo hidrológico das vazões máximas na bacia do rio Itajaí do Norte no município de Ibirama - SC

Tabela 5 - VALORES DO COEFICIENTE “N” USADOS NA FÓRMULA DE MANNING

Natureza das Paredes nCanais de terra em boas condições. 0,025Canais de terra com plantas aquáticas.Álveos naturais, cobertos de cascalhos e vegetação.

0,035

Canais irregulares e mal conservados.Álveos naturais, andamento tortuosos.

0,040

7.8.2 Aplicação da Equação de Manning

Para a rugosidade adotaremos conforme Tabela 5. A declividade I foi calculada e é igual a 0,0035 m/m O Raio Hidráulico foi determinado através da seguinte expressão:

Aplicando a Equação de Manning encontramos uma vazão de 2535,95 m3/s.

Portanto podemos afirmar, em base nestes estudos, que a altura da ponte está dentro das recomendações, pois a seção do rio Itajaí do Norte embaixo da ponte, tem capacidade para deixar passar uma vazão igual ao período de retorno de 285 anos, que segundo nosso estudo estatístico pelo método de Gumbel é de 2532,2 m3/s.

9. IMPACTOS AMBIENTAIS

A influência do empreendimento sobre o clima pode ser considerada irrelevante por abranger uma pequena área.

A qualidade do ar e o nível de ruídos durante a execução da obra não deverá ser impactante, uma vez que ocorrerá em área aberta.

Com relação ao solo, haverá escavação para execução das sapatas e pilares, e movimentação de terra nas cabeceiras.

Com relação às vazões máximas, não haverá impactos negativos, uma vez que a seção de escoamento, no local da ponte permite o escoamento destas águas.

O impacto positivo é o beneficio sócio-econômico que a ponte trará para a população que vive na região do empreendimento.

10. CONCLUSÃO

Podemos concluir que o empreendimento de uma ponte rígida que será construída no Município Ibirama/SC é de interesse social e de baixo impacto ambiental.

Em base nos estudos hidrológicos a altura da ponte pode estar no mesmo nível da enchente de 1983, por ter sido a maior enchente registrada na série histórica. Temos que considerar que em 1992 foi concluída uma obra importante a montante de Ibirama, a Barragem Norte, e esta barragem tem uma capacidade em diminuir no mínimo 1,0 metros o nível da água em Ibirama. Assim que, a recomendação deixar um espaço livre embaixo da ponte de 1,0 m, acima da enchente com período de retorno de 100 anos fica atendido. Ainda de acordo com o projeto da mesma, está dentro das

Ademar Cordero – Engenheiro Civil/Doutor em Engenharia Hidráulica

12

Estudo hidrológico das vazões máximas na bacia do rio Itajaí do Norte no município de Ibirama - SC

recomendações, pois a seção tem capacidade para deixar passar uma vazão superior ao período de retorno de 285 anos, que segundo nosso estudo estatístico pelo método de Gumbel é de 2532,2 m3/s.

11. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

CORDERO, Ademar; MEDEIROS, Péricles Alves. Estudo estatístico das vazões máximas para o rio Itajaí-Açu em Blumenau. XV Simpósio Brasileiro de Hidrologia e Recursos Hídricos, Curitiba, PR, ABRH, 2003.

PINTO, Nelson L. S.; HOLTZ, Antonio C. T.; MARTINS, José A.; GOMIDE, Francisco L. S. Hidrologia Básica. Editora Edgard Blücher Ltda, São Paulo, 1976, 278p.

TUCCI, Carlos, E. M. Gerenciamento integrado das inundações urbanas no Brasil. Revista de Gestão de Água da América Latina, Porto Alegre, vol.1 no.1, p.59-73, jan./jun. 2004, ISSN 1806-4051.

TUCCI, Carlos, E. M. (Organizador). Hidrologia–Ciência e Aplicação. Editora da Universidade/UFRGS, Porto Alegre, 1993.

VILLELA, Swami M.; MATTOS, Arthur. Hidrologia Aplicada. Editora McGraw-Hill do Brasil, São Paulo, 1975, 245p.

Francisco F. N. Marcuzzo; Murilo R. D. Cardoso; Ricardo Pinto Filho; Vanessa Romero. CARACTERIZAÇÃO HIDROMORFOLÓGICA DA BACIA DO VALE DO ITAJAÍ. XIX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos. Maceió, 2011.

12. APENDICE

Mapa do local da ponte,Fotos ilustrativas,ART.

Ademar Cordero – Engenheiro Civil/Doutor em Engenharia Hidráulica

13

Estudo hidrológico das vazões máximas na bacia do rio Itajaí do Norte no município de Ibirama - SC

Mapa 1. Mapa do local da ponte projetada.

Foto 1. Vista 1 do rio Itajaí onde será construída a ponte.

Ademar Cordero – Engenheiro Civil/Doutor em Engenharia Hidráulica

14

Estudo hidrológico das vazões máximas na bacia do rio Itajaí do Norte no município de Ibirama - SC

Foto 1. Vista 2 do rio Itajaí onde será construída a ponte.

Ademar Cordero – Engenheiro Civil/Doutor em Engenharia Hidráulica

15