Aplicação do modelo hidrológico SWMM na gestão das águas pluviais urbanas: estudo de caso da bacia hidrográfica do Rio Morto, Rio de Janeiro.

O crescimento da população e dos núcleos urbanos durante o século XX, sobretudo nos países em desenvolvimento, contribuiu para o aumento das áreas impermeáveis das bacias hidrográficas, com impactos importantes nos sistemas de drenagem urbana e na ocorrência de enchentes associadas. As enchentes trazem prejuízos materiais, na saúde e sociais. Recentemente, têm sido propostas práticas conservacionistas e medidas compensatórias, que buscam contribuir para o controle das enchentes urbanas, através do retardo do pico e amortecimento dos hidrogramas. Modelos matemáticos hidrológicos-hidráulicos permitem a simulação da adoção destas medidas de controle, demonstrando e otimizando sua localização. Esta dissertação apresenta os resultados da aplicação do modelo hidrológico Storm Water Management Model (SWMM) à bacia hidrográfica de estudo e representativa do rio Morto localizada em área peri-urbana em Jacarepaguá na cidade do Rio de Janeiro, com área de 9,41 km. O processamento do modelo SWMM foi realizado com o apoio da interface Storm and Sanitary Analysis (SSA), integrada ao sistema AutoCAD Civil 3D. Além da verificação da adequabilidade do modelo à representação dos sistemas hidrológico e hidráulico na bacia, foram desenvolvidos estudos para dois cenários como medidas de controle de enchentes: cenário 1, envolvendo implantação de um reservatório de detenção e, cenário 2, considerando a implantação de reservatórios de águas pluviais nos lotes. Os hidrogramas resultantes foram comparados ao hidrograma resultante da simulação nas condições atuais. Além disso, foram avaliados os custos associados a cada um dos cenários usando o sistema de orçamento da Empresa Rio Águas da PCRJ. Nas simulações foram adotadas a base cartográfica, e os dados climatológicos e hidrológicos previamente observados no contexto do projeto HIDROCIDADES, Rede de Pesquisa BRUM/FINEP, na qual este estudo se insere. Foram representados os processos de geração e propagação do escoamento superficial e de base. Durante o processo de calibração, realizou-se a análise de sensibilidade dos parâmetros, resultando como parâmetros mais sensíveis os relativos às áreas impermeáveis, especialmente o percentual de área impermeável da bacia (Ai). A calibração foi realizada através do ajuste manual de sete parâmetros do escoamento superficial e cinco do escoamento de base para três eventos. Foram obtidos coeficientes de determinação entre 0,52 e 0,64, e a diferença entre os volumes escoados e observados entre 0,60% e 4,96%. Para a validação do modelo foi adotado um evento pluviométrico excepcional observado na cidade em abril de 2010, que à época causou enchentes e grandes transtornos na cidade. Neste caso, o coeficiente de determinação foi igual a 0,78 e a diferença entre volumes foi de 15%. As principais distorções entre hidrogramas observados e simulados foram verificados para as vazões máximas. Em ambos os cenários as enchentes foram controladas. A partir destes estudos, pôde-se concluir que o melhor custo-benefício foi o cenário 2. Para este cenário, foi observado maiores amortecimento e retardo da vazão de pico do hidrograma, igual a 21,51% da vazão simulada para as condições atuais da bacia. Os custos de implantação orçados para os reservatórios de lote ficaram 52% a menos do que o do reservatório de detenção.

Population and urban occupation growth during 20th century, mainly in underdeveloped countries, contributed for increasing impermeable surfaces in drainage basins, leading to important impacts on urban drainage systems and associated floods. Floods cause material losses, healthy and social problems, apart of great disruptions in large citys mobility. Recently, a number of, non-conventional, conservative practices and compensatory measurements have been proposed seeking urban flood control, by lengthening hydrographs time lag and promoting shallow rising limb. Hydrologic-hydraulic mathematical models allow the simulation of these flood control measurements, demonstrating and optimizing their location, maximizing the benefits of their application. This dissertation presents the results of the application of the Storm Water Management Model (SWMM) to the representative and under study catchment of Morto River, with 9,41 km2 of area, located in a peri urban area, in Jacarepaguá, city of Rio de Janeiro, Brazil. Storm and Sanitary Analysis (SSA) tool integrated to AutoCAD Civil 3D System supported the model processing. Apart of verifying the representativeness of the hydrologic-hydraulic modelling system to the physical processes in the Morto river catchment, two different scenarios were studied as means of flood control: scenario 1, involving the simulation of one retention reservoir and, scenario 2, involving the use of multiple distributed rainwater reservoirs in the lots. The resulting hydrographs were compared to the one for catchments actual conditions. Additionally, the associated costs for each scenario were evaluated applying the official budget system of Rio Águas of Rio de Janeiro Council. It was applied the cartographic data base, climatological and hydrological data obtained in the HIDROCIDADES Project, FINEP BRUM Research Network, under which this work has been developed. The processes of generation and propagation of runoff and baseflow were modelled. During the calibration process, was performed a sensitivity analysis of the parameters, resulting as the most sensitive parameters those related to impervious areas, especially the percentage of impervious area in the basin (Ai). Manually calibration was performed, seven parameters for runoff simulation and five for baseflow were adjusted, for three events, presenting values for the coefficient of determination between 0.52 and 0.64. The difference between simulated and observed volumes varied from 0.60% to 4.96 %. Model validation was performed for an exceptional rainfall event in April 2010, which caused floods in many places in the city. In this case, the coefficient of determination was equal to 0.78 and difference in runoff volumes equal to 15 %, being identified that the main differences are in peak flows discharges. In both scenarios floods were totally controlled. It was concluded that the best cost-benefit was for scenario 2. For this scenario it was observed the best result, considering both reduction on hydrographs peak flow discharge and increasing on time to peak. Peak flow discharge was reduced by 21,51% when compared to the simulated hydrograph for catchments current stage. It was found a much lower cost for scenario 2, the budget was 52% less than the budget for scenario 1.