Estudo Comparativo dos Escoamentos Superficiais na Calha do Ribeirão Arrudas em Belo Horizonte – Minas Gerais

Por Cleber Silva Dutra, Cristiano Vilas Boas, Graziella Abre de Oliveira e Wagner Faria

Introdução

Belo Horizonte foi inaugurada a 12 de dezembro de 1897, por uma exigência da Constituição do Estado para abrigar a nova capital mineira. A cidade foi a primeira capital brasileira a ser construída de maneira planejada.

A área urbana foi planejada para se desenvolver ate onde hoje se encontra a Avenida do Contorno. Daquela época até os dias atuais, várias foram às mudanças ocorridas na infra-estrutura da cidade. Já nas primeiras décadas do século XX, a periferia da cidade começava a crescer.

Ao longo da década de 30 surgiram novos bairros e também muitas favelas começaram a se formar. A expansão da cidade aconteceu sem um maior controle ou planejamento e isso trouxe sérios problemas urbanos. Muitos dos novos bairros não possuíam os serviços básicos de água, luz e esgotos. Enquanto isso, o centro permanecia relativamente vazio.

A partir da década de 50, caracterizada pelo grande êxodo rural, a população da cidade dobra de tamanho, passando de 350 mil para aproximadamente 700 mil habitantes.

O crescimento econômico na década de 60 transformou o perfil de Belo Horizonte com o inicio de várias obras civis. Na década de 70, já com um milhão de habitantes, Belo Horizonte continuava crescendo desordenadamente, o que provocou um ambiente caótico à cidade. Nesta época, teve início o primeiro projeto para contenção do Ribeirão Arrudas.

Nas regiões norte e oeste e nos municípios vizinhos, a população crescia a cada ano e surgiam cada vez mais distritos industriais com instalações de empresas dos mais variados ramos.

Essa concentração demográfica desordenada gerou vários problemas de infra-estrutura e a população vive ano a ano a dura realidade das enchentes, principalmente as famílias que vivem às margens do Ribeirão Arrudas.

A canalização do Ribeirão, concluída em 1997 foi uma tentativa de pôr fim ao problema das enchentes que com o passar dos anos, até os dias atuais, causam prejuízos ás famílias e comerciantes do centro da capital.

Problema de Pesquisa

Devido ao aquecimento global e conseqüentemente as mudanças climáticas ocorridas em todo o planeta, vivenciam-se inúmeras catástrofes relacionadas aos fenômenos meteorológicos. É comum assistir ao mesmo tempo secas e, conseqüentemente, incêndios no hemisfério norte, enquanto no outro lado do hemisfério ocorrem enchentes, causando deslizamentos de terra e inundações, principalmente nos países tropicais como o Brasil.

As chuvas intensas ocorridas no Brasil, especificamente as registradas em Belo Horizonte, Minas Gerais, provocaram diversas inundações, prejuízos materiais e até vítimas fatais, como as que ocorreram ao longo do Ribeirão Arrudas entre os anos 2008 e 2009. Eventos como estes são frequentes na história da cidade de Belo Horizonte e a cada temporada chuvosa, observa-se um aumento nos impactos causados pelas enchentes na capital mineira.

No ano de 2009, os governos, Estadual e Municipal deram inicio ao rebaixamento da caixa do canal do Ribeirão Arrudas, como alternativa técnica para melhorar seu escoamento superficial.

Diante do exposto, apresenta-se nesta pesquisa, a questão que motiva o seu desenvolvimento: O rebaixamento do fundo da calha de um rio é uma solução eficiente para conter as enchentes no Ribeirão Arrudas?

Objetivos

-Objetivo Geral

Analisar o escoamento superficial no Ribeirão Arrudas, na cidade de Belo Horizonte/MG em trechos onde ocorrem inundações e que foram submetidos a obras de rebaixamento e de impermeabilização de sua calha.

-Objetivos Específicos

Simular o escoamento do canal do Ribeirão através de cálculos do software gratuito HIDROwin disponibilizado pelo Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos (EHR) da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG), utilizando as medidas do canal antes e depois do rebaixamento de sua calha.
Verificar através dos resultados obtidos qual será a eficiência hidráulica obtida através do rebaixamento da calha do Ribeirão.

Justificativa

O crescimento desordenado da população e a falta de estrutura na organização territorial proporcionaram ao longo dos anos o surgimento de construções no entorno do Ribeirão Arrudas, na cidade de Belo Horizonte. Este fato juntamente com as alterações climáticas ocorridas no planeta vem ocasionando situações inesperadas para a população.

As chuvas intensas registradas na região ao longo do Ribeirão Arrudas vêm provocando aumento do escoamento superficial e inundações das ruas e casas localizadas próximas ao seu leito, prejudicando a população de um modo geral.

Para mitigar os efeitos das inundações, os governos Municipais e Estaduais adotaram como alternativa técnica o rebaixamento da calha do Ribeirão Arrudas.

Este estudo tem o intuito de verificar e analisar o quanto esta alternativa técnica contribuirá para minimizar os problemas das enchentes neste Ribeirão. Para tanto é preciso analisar os aspectos referentes às chuvas intensas que contribuem para o escoamento superficial, as condições de escoamento e verificar os aspectos topográficos da região de estudo. Utilizando-se para tal, os conhecimentos de Engenharia de Agrimensura, nas áreas de hidrologia e topografia.

Este trabalho é de interesse da população mineira em geral e principalmente dos que sofrem com as inundações que ocorrem durante as chuvas intensas. É de interesse também dos órgãos Municipais e Estaduais pelas suas responsabilidades sociais e ambientais, interessa à comunidade acadêmica e aos profissionais da Engenharia e Arquitetura, além de outros setores da nossa sociedade que buscam uma solução para mitigar os problemas causados pelas chuvas intensas.

Referencial Teórico

Formação das Chuvas

As chuvas são classificadas de acordo com as condições em que ocorre a ascensão da massa de ar em: chuvas frontais, chuvas orográficas, chuvas convectivas (chuvas de verão).

As chuvas frontais (Figura 1), são provocadas por “frentes”, no Brasil predominam as frentes frias provindas do sul, é de fácil previsão de longa duração, intensidade baixa ou moderada, podendo causar abaixamento da temperatura (MIRANDA, 2009).

Fonte: GALVANI (2004)
Figura 1 – Desenho esquemático das chuvas frontais

As chuvas orográficas (Figura 2), são provocadas por grandes barreiras de montanhas, são localizadas e intermitentes. Possuem intensidade bastante elevada e geralmente são acompanhadas de neblina (MIRANDA, 2009).

Fonte: GALVANI (2004)
Figura 2 – Desenho esquemático das chuvas orográficas

As chuvas convectivas ou chuvas de verão (Figura 3), segundo o mesmo autor são causadas pela convecção térmica, que é um fenômeno provocado pelo forte aquecimento de camadas próximas à superfície terrestre, resultando numa rápida subida do ar aquecido. A brusca ascensão promove um forte resfriamento das massas de ar que se condensa quase que instantaneamente. Ocorrem em dias quentes, geralmente no fim da tarde ou começo da noite e podem iniciar com granizo. Podem ser acompanhadas de descargas elétricas e de rajadas de vento e interessam às obras em pequenas bacias, como para cálculo de bueiros, galerias de águas pluviais, etc.

Fonte: GALVANI (2004)
Figura 3 – Desenho esquemático das chuvas convectivas ou chuvas de verão

Segundo Tucci (1995), para elaboração de projetos de obras de drenagem é necessário que se conheça a intensidade, a duração e a freqüência das chuvas.

Quantifica-se a chuva pela altura de água caída e acumulada sobre uma superfície plana. A quantidade da chuva é avaliada por meio de aparelhos como pluviômetros (Figura 4) e outros.

Fonte: GALVANI (2004)
Figura 4 – Pluviômetro

As características das medidas pluviométricas são altura pluviométrica que são as medidas realizadas nos pluviômetros e expressas em mm(milímetros).

A duração é o período de tempo contado desde o início até o fim da precipitação, expresso geralmente em horas ou minutos. A intensidade da precipitação é a relação entre a altura pluviométrica e a duração da chuva expressa em mm/h (milímetro por hora) ou mm/min (milímetro por minuto). Uma chuva de 1mm/min corresponde a uma vazão de 1 litro/min afluindo a uma área de 1m2,(TUCCI,1995). Para o cálculo da intensidade de chuvas podemos utilizar a equação:

Onde,
i é a intensidade de precipitação em mm/h,
A, B, C e D são constantes referentes ao posto pluviométrico,
TR é o tempo de recorrência em anos,
Tc é o tempo de concentração em minutos,
L é o comprimento do curso d’água em km,
de é a declividade efetiva em m/m.

Formação das chuvas em Belo Horizonte

Para o estudo das cheias, deve-se observar o deslocamento do aglomerado de nuvens sobre a bacia. Conforme figura 5, no caso mais favorável, a formação de picos de cheias ocorre quando o aglomerado penetra através da cabeceira da bacia, deslocando-se para jusante (CETEC, 1983).

Fonte: CETEC (1983)
Figura 5 – Efeito da trajetória do temporal sobre o escoamento na bacia

Conforme o mesmo autor, esta é a situação mais freqüente na bacia do Ribeirão Arrudas, uma vez que a maioria dos aglomerados convectivos estão associados a sistemas frontais que penetram na bacia pela sua cabeceira, ou seja, pelo Sul, Sudoeste e Oeste. Apesar de esta ser a condição mais favorável de deslocamento dos temporais, a topografia da bacia, que é bastante íngreme, proporciona, um rápido escoamento superficial se comparado a outras bacias.

-Controle das Cheias Urbanas

“A drenagem urbana é o conjunto de medidas que tem por objetivo minimizar os riscos a que as populações estão sujeitas, diminuir os prejuízos causados por inundações e possibilitar o desenvolvimento urbano de forma harmônica, articulada e sustentável Mendes, A. A. Costa B.C; Pereira, M.G.; Rocha L. M.,2005,p.13).
A ocupação urbana nas grandes cidades brasileiras acarretou impactos ambientais, principalmente no que se refere ao aumento da freqüência de cheias urbanas, em conseqüência da impermeabilização do solo. Há impactos relacionados à queda de recarga do aqüífero subterrâneo, afetando a disponibilidade hídrica e ao acréscimo do escoamento superficial, ocasionando enchentes urbanas, erosão do solo e arraste de poluentes para os cursos d’água.

Para minimizar tais impactos, são empregados dispositivos que promovam a infiltração e o armazenamento temporário das águas pluviais (FONSECA, 2006).
Os planos ou superfícies de infiltração (Figura 6) e as valas de infiltração (Figura 7), caracterizam-se por áreas que se destinam a permitir e facilitar a infiltração das águas de chuva no solo. São áreas normalmente gramadas, que recebem a precipitação de uma área impermeável (GOMES, 2005).

Fonte: DUARTE E MULFARTH (2006)
Figura 6 – Plano de infiltração

Fonte: DUARTE E MULFARTH (2006)
Figura 7 – Vala de infiltração

Os poços de infiltração (Figura 8) e as trincheiras de infiltração (Figura 9) acumulam certo volume de água do escoamento superficial, no interior do solo, possibilitando sua infiltração. Os pavimentos permeáveis (Figura 10) permitem a passagem de água através de vazios existentes em sua constituição (GOMES, 2005).

Fonte: DUARTE E MULFARTH (2006)
Figura 8 – Poço de infiltração

Os poços de infiltração caracterizam-se por escavações no solo com fundo e paredes permeáveis, com o objetivo de permitir a infiltração subterrânea da água proveniente de escoamento superficial.

Fonte: DUARTE E MULFARTH (2006)
Figura 9 – Trincheira de infiltração

As trincheiras de infiltração são valetas preenchidas por material granular, com extensão preponderante em relação a sua largura, resultando em um reservatório de pedras para onde a água do escoamento pluvial é direcionada, ficando armazenada até a sua infiltração no solo ou sua drenagem para a rede pluvial.

Segundo Gomes (2005), os reservatórios de amortecimento em empreendimentos e loteamentos destacam-se como medidas de controle na fonte por armazenamento. Estes reservatórios podem captar águas provenientes de telhados, coberturas, áreas e pisos não permeáveis, devendo o retardo possibilitar a redução de vazões de pico a valores compatíveis com as vazões de pré-urbanização.

O controle da drenagem urbana na fonte compensatória, sustentável ou ambiental tem sido a medida mitigadora apontada por Planos de Drenagem Urbana e recentes legislações urbanísticas de algumas cidades brasileiras para restabelecer o impacto ao ciclo hidrológico no próprio local onde acontecem os impactos advindos da impermeabilização. A infiltração e a percolação de águas no solo, além de contribuir para o controle do escoamento superficial, irão possibilitar a recarga artificial do lençol freático, contribuindo para a reconstituição das condições do ciclo hidrológico anterior à urbanização.

Metodologia

A metodologia aplicada a este trabalho estabelece algumas etapas chaves de coleta de informações, a fim de promover o embasamento teórico necessário ao estudo proposto.

Inicialmente pesquisou-se sobre a formação das chuvas para verificação de relações entre fatores específicos da região estudada com a concentração das mesmas. Após entendidos os aspectos de formação das chuvas, a pesquisa voltou-se para o conhecimento da conformação da bacia hidrográfica que contribui para a formação do Ribeirão Arrudas, bem como suas características topográficas.

Foi de fundamental importância a análise aprofundada de artigos diversos sobre drenagem urbana, bem como visita à obra de rebaixamento para dar inicio à análise comparativa da calha do Ribeirão Arrudas antes e depois do rebaixamento.

A primeira etapa prática se deu com a medição da calha do Ribeirão em pontos predeterminados utilizando-se de uma trena eletrônica. A determinação de tais pontos foi feita no escritório, através de imagem de satélite, utilizando-se do SIG Google Earth.

De posse desses dados, foi possível a determinação da vazão critica utilizando o software livre HIDROwin. A vazão foi calculada tomando-se por base a seção do final do trecho, situada próxima à Rua Uberaba.

Na seqüência, foram feitos os cálculos da altura da lâmina d’água sem considerar o rebaixamento do canal. Os resultados foram anotados em planilha para futura comparação com a calha rebaixada.

O passo seguinte foi analisar as alturas da calha nos pontos medidos para determinar a altura mínima necessária para a obra de rebaixamento, levando em conta a altura da lâmina d’água determinada anteriormente.
A partir deste ponto, foram feitos novos cálculos da altura da lâmina d’água, desta vez considerando o rebaixamento mínimo calculado.

Tendo os cálculos de simulação de altura da lâmina d’água de antes e depois do provável rebaixamento, foi possível verificar, se em algum ponto do trecho estudado, está sujeito ou não ao extravazamento.

Levando-se em conta que a simulação do pós rebaixamento promoveu uma efetiva diminuição da altura da lâmina d’água, procedeu-se o cálculo da eficiência hidráulica da obra de rebaixamento do Ribeirão Arrudas.

Caracterização da Área de Estudo

Segundo Nonato (1992), a capital mineira localiza-se na área de contato entre a Serra do Espinhaço e a Depressão Sanfranciscana.

A área urbana se estende por colinas e vales do embasamento cristalino, numa depressão periférica, onde alguns bairros da Zona Sul ocupam as encostas da Serra do Curral com altitudes superiores a 1.000m e outros na Zona Norte ocupam terraços fluviais com cerca de 820m (RIBEIRO,1992).

O sistema de drenagem natural do Município de Belo Horizonte é composto principalmente, pelo Ribeirão do Onça e Ribeirão Arrudas. O primeiro curso d’água possui uma área total de bacia de 211, 63 quilômetros quadrados, podendo ser dividido em duas áreas bem distintas. Isto se deve à existência da Lagoa da Pampulha, que amortece as enchentes urbanas e retém os sedimentos da parte a montante da bacia. O segundo curso d’água, com uma bacia de 207,76 quilômetros quadrados, é formado pelos córregos Jatobá e Barreiro, que apresentam declividades acentuadas, tendo como conseqüência velocidades elevadas de escoamento (FONSECA, NASCIMENTO E LONGO, 2006).

-O Ribeirão Arrudas

A bacia do Ribeirão Arrudas pertence à bacia hidrográfica do Rio das Velhas, um importante afluente do São Francisco, e abrange uma área de 207,76 quilômetros quadrados nos municípios de Contagem, Belo Horizonte e Sabará. Sua extensão total é de 47 quilômetros, desde a nascente na Serra do Cachimbo, até sua foz no Rio das Velhas. Somente no município de Belo Horizonte, o leito do Ribeirão Arrudas apresenta uma extensão de 37,6 quilômetros (FONSECA, 2006).

Ao longo de seu percurso, o Ribeirão Arrudas recebe a contribuição de 44 afluentes, sendo 21 pela margem esquerda e 23 pela margem direita, três dos quais estão localizados em Contagem, 29 em Belo Horizonte e 12 em Sabará, destacando-se como principal afluente da margem esquerda, em Contagem, o Córrego Ferrugem, com uma bacia de drenagem de 26,8 quilômetros quadrados, significando que 15% de sua área está inserida na bacia do Ribeirão Arrudas, sendo que no Parque Ecológico Eldorado se encontram nascentes preservadas desta bacia.

-O Rebaixamento do Canal do Ribeirão Arrudas

Em Belo Horizonte, além destes dispositivos optou-se especificamente no Ribeirão Arrudas (conforme fotos 1,2,3) pelo rebaixamento da calha do Ribeirão como alternativa técnica para mitigar os impactos provenientes do alto escoamento superficial ao longo do Ribeirão.

Fonte: JORNAL ESTADO DE MINAS (2009)
Foto 1 – Rebaixamento do canal do Ribeirão Arrudas

Fonte: OS AUTORES (2010)
Foto 2 – Rebaixamento do canal do Ribeirão Arrudas

Fonte: OS AUTORES (2010)
Foto 3 – Rebaixamento do canal do Ribeirão Arrudas

Segundo o assessor da diretoria de Operações Metropolitanas da Companhia de Saneamento de Minas Gerais (COPASA), José Fróes, a intervenção no canal contempla duas obras: rebaixamento do piso e revestimento da parede e do fundo.

A primeira visa aumentar a capacidade da caixa, com o aumento da altura entre dois e três metros e a outra, a partir da concretagem, visa facilitar o deslocamento da água e de detritos. Ao todo, devem ser reconstruídos 3,2 mil metros do canal, desde a Rua Vila Rica no bairro Coração Eucarístico na região noroeste, até a Rua Uberaba.

Para se estimar o ganho de vazão proporcionado pela obra de rebaixamento, utilizou-se o software gratuito HIDRO win disponibilizado pelo Departamento de Engenharia Hidráulica e Recursos Hídricos (EHR) da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG).

Fonte – UFMG (2010)
Figura 10 – Programa HIDROwin 2.1

Resultados e Discussão

Simulações do Escoamento

O programa HIDROwin permite o cálculo da vazão e da velocidade de escoamento e a máxima eficiência a partir da inserção dos seguintes dados:

1.Tipo de seção
2.Profundidade do canal em metros
3.Coeficiente de Manning
4.Declividade do trecho em m/m
5.Largura da calha

As dimensões das seis seções transversais do trecho em estudo foram inseridos no programa HIDROwin para o cálculo da vazão crítica na calha do Ribeirão Arrudas antes das obras de rebaixamento, conforme a tabela 1.
A média das vazões das seis seções e suas velocidades médias de escoamento é mostrada de acordo com a tabela 2.

Tabela 1 – Dados da calha do Ribeirão Arrudas antes do rebaixamento

Fonte: OS AUTORES (2010)

Tabela 2 – Cálculo da vazão e velocidade de escoamento, antes do rebaixamento na calha do Ribeirão Arrudas.

Fonte: OS AUTORES (2010)

Cálculo da Altura da Lâmina d’água

De posse da máxima vazão encontrada conforme a tabela 2 pode-se calcular o valor da lâmina d’água através do programa HIDROwin e analisar as seções transversais para se determinar os pontos mais prováveis de transbordamento da calha do Ribeirão antes do rebaixamento, conforme a tabela 3.

Tabela 3 – Alturas de lâmina d’água e da calha do Ribeirão antes do rebaixamento

Fonte: OS AUTORES (2010)

As diferenças entre a profundidade do canal e a altura da lâmina d’água, antes do rebaixamento, são mostradas no gráfico 1.

Fonte: OS AUTORES (2010)
Gráfico 1 – Altura da calha do Ribeirão em relação à lâmina d’água calculada antes do rebaixamento.

Cálculo do Rebaixamento do Canal

A tabela 4 mostra o mínimo acréscimo na altura da calha do Ribeirão para manter a cota da lâmina d’água abaixo da cota da crista da calha, considerando a vazão critica de 2248.152 m³/s.

Tabela 4 – Alturas da lâmina d’água e da calha do Ribeirão após o rebaixamento

Fonte: OS AUTORES (2010)

As diferenças entre a profundidade do canal e a altura da lâmina d’água, após o rebaixamento, são mostradas no gráfico 2.

Fonte: OS AUTORES (2010)
Gráfico 2 – Altura da calha do Ribeirão em relação à lâmina d’água calculada após o rebaixamento.

Eficiência Hidráulica

Considerando os resultados obtidos para o rebaixamento do canal do Ribeirão Arrudas, a eficiência hidráulica pode ser calculada através da relação entre a máxima vazão calculada antes do rebaixamento (Q0) e a máxima vazão suportada para a calha rebaixada (Q), conforme tabela 5.

Tabela 5 – Eficiência hidráulica do canal do Ribeirão Arrudas após o rebaixamento.

Fonte: OS AUTORES (2010)

Fonte: OS AUTORES (2010)
Gráfico 3 – Eficiência hidráulica do canal após o rebaixamento

Conclusão

Através dos resultados obtidos, para uma vazão calculada de até 2248,152m³/s, pode-se concluir que o rebaixamento da calha do Ribeirão Arrudas no trecho estudado, deve estar entre 1,70m a 3,20 m para uma eficiência hidráulica de 95,93% e pode eliminar o risco de novas ocorrências de enchentes deste curso d’água, visto que a diferença entre a altura da calha do Ribeirão, após o seu rebaixamento, permanece ao longo do trecho acima da altura da lâmina d’água.

Alguns fatores como a trajetória da tempestade, o tipo de chuva, a intensidade e duração da precipitação influenciam o comportamento do curso d’água.

Em Belo Horizonte, particularmente, ocorreu um aumento significativo na taxa de permeabilidade do solo ao longo da bacia do Ribeirão Arrudas ao longo dos anos.

Esse fato, em conjunto com o assoreamento do Ribeirão, contribui para a diminuição do tempo de concentração da precipitação , bem como a diminuição da seção da calha do Ribeirão, fazendo com que chuvas de pequena duração promovessem uma rápida elevação na lâmina d’água.

Apesar dos cálculos realizados nesta pesquisa não indicarem a ocorrência de novas enchentes no trecho estudado, algumas providências como a educação da população e a constante fiscalização por parte dos órgãos públicos devem ser observadas.

As técnicas de controle de escoamento superficial como reservatórios de amortecimento, pavimentos permeáveis, entre outros devem ser divulgadas e incentivadas. O conjunto de esforços e técnicas aplicadas à drenagem urbana é que são eficientes para a solução de problemas relacionados às enchentes urbanas.

As fotos que exemplificam bem o assunto tratado está na seção anexos. Podemos verificar os grandes desastres ocasionados pelas enchentes e também o trabalho que está sendo feito na região do Ribeirão nos dias de hoje.

Referências

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