Por: Luciana de Oliveira Costa, Paulo Henrique Gontijo Andrade, Luciana Alves de Jesus, Cláudia Constantina Saltarelli Saraiva
Introdução
O município de Pedro Leopoldo está localizado a 42 km da capital mineira, com coordenadas geográficas 19°37’04″ S e 44°02’34” O. O município tem em sua localização uma virtude, que é o acesso fácil para Brasília, Belo Horizonte, Aeroporto Tancredo Neves (Confins) e para o interior do Estado de Minas Gerais.
A região central do município é ligada ao bairro Tapera pela Avenida São Vicente, onde se encontra o objeto deste trabalho, o qual se caracteriza em uma ponte de transposição da avenida sobre o Ribeirão das Neves. Essa ponte foi comprometida com a incidência das fortes chuvas ocorridas entre dezembro de 2011 a janeiro de 2012, tendo seu tráfego interrompido.
Contudo, uma única alternativa de desvio para acesso aos Bairros Tapera e Vera Cruz de Minas é a MG 040. Porém este desvio possuí grande parte de sua extensão sem pavimentação, ao contrário da Avenida São Vicente, isto ocasiona transtornos aos moradores da região.
A antiga ponte foi projetada a mais de 50 anos e já sofreu pelo menos duas quedas. Com o crescimento da população as características da bacia de contribuição da área de estudo foram alteradas.
Diante dessa realidade faz-se importante o estudo de vazão para projetar um novo dispositivo de drenagem pluvial na interseção da Avenida São Vicente com o Ribeirão das Neves. A partir daí questiona-se: em função da queda da ponte, qual é a dimensão da obra de arte necessária para suportar a vazão pluvial sob a ponte da Avenida São Vicente?
O objetivo principal do presente estudo é analisar o dimensionamento do dispositivo de drenagem pluvial da obra de arte corrente que comporte a vazão do Ribeirão das Neves no ponto de intersecção com a Avenida São Vicente considerando a atual caracterização da bacia de contribuição a montante localizada no bairro Tapera município de Pedro Leopoldo-MG.
Referencial Teórico
O referencial teórico deste trabalho foi desenvolvido com base nos autores: Jabôr (2010), Rocha (2006), Tucci Et Al. (2009), Press Et Al. (2009), Silva Et Al. (2003), Oliveira (1947), INMET (2012), Baptista E Nascimento (2011), Garcez E Alvarez (2002) e Jesus (2009).
Materiais e Métodos
Os dados para a elaboração desta pesquisa são provenientes de uma visita in loco, tratamento de dados em softwares e planilhas eletrônicas. Assim, adotou-se os seguintes materiais para obtenção dos resultados esperados nos objetivos.
Materiais:
• Cartas do IBGE: escala 1/50.000 dos municípios de Pedro Leopoldo e Contagem – Estado de Minas Gerais
• Software de desenho: AUTOCAD CIVIL 3D
• Software de processamento: TOPOGRAPH
• Software de geoprocessamento: SPRING
• Software: PLÚVIO 2.1
• Imagens de satélite Landsat 7 imageadas no ano de 2007, pertencente à órbita / ponto 218/74.
• Visualizador: Google Earth
• Equipamento: Estação total – GEODETIC G5
• Planilhas eletrônicas
Métodos:
Para o desenvolvimento deste artigo, o método utilizado foi o de revisão de literatura sendo complementado com um estudo de caso específico.
Localização da área de estudo
O Ribeirão das Neves nasce no município de Ribeirão das Neves a uma altitude aproximada de 875m e deságua no Ribeirão da Mata no município de Pedro Leopoldo, distante aproximadamente 37 km de Belo Horizonte.
Inicialmente, identificou-se a área de estudo para obtenção das coordenadas aproximadas da intersecção da Avenida São Vicente com o Ribeirão das Neves no município de Pedro Leopoldo
De posse dessas coordenadas, identificaram-se as cartas topográficas do mapeamento sistemático que serviriam para a delimitação da bacia à qual pertence o objeto de estudo.
Aquisição de cartas
Assim, para identificação da bacia hidrográfica que possui o exutório na intersecção da Avenida São Vicente com o Ribeirão das Neves no município de Pedro Leopoldo, foi necessária a aquisição das cartas topográficas do IBGE, conforme Figuras 5 e 6. Sendo elas: folha SE-23-Z-C-V4 do Município de Contagem com escala 1:50.000 e folha SE-23-Z-C-V2 do Município de Pedro Leopoldo com escala 1:50.000.
Tendo em vista o talvegue que as intercepta, essas duas cartas fizeram-se necessárias. Assim, essas imagens foram sobrepostas para posterior delimitação da bacia de contribuição.
Delimitação da Bacia Hidrográfica
Para a delimitação da bacia, as cartas foram georreferenciadas, empregando-se a rede de coordenadas delas, no software AUTOCAD CIVIL 3D. Na sequência de trabalho, fez-se a vetorização do talvegue principal para adquirir sua extensão, empregando o mesmo software, utilizando o processo de coleta ponto a ponto, resultando em uma poligonal, vide Figura 2.
Após definir o talvegue principal, delimitou-se a bacia de contribuição do Ribeirão das Neves através da identificação de seus divisores de água, com o objetivo de obter uma poligonal fechada para classificação da imagem de satélite.
Aspectos fisiográficos da micro bacia do Ribeirão das Neves
A caracterização fisiográfica de uma bacia hidrográfica consiste na descrição sucinta dos fatores topográficos, geológicos, geomorfológicos e de ocupação do solo intervenientes na geração de escoamentos, entre outros.
Caracterização da bacia de contribuição
A micro bacia do Ribeirão das Neves, pertence à sub-bacia do Ribeirão da Mata e à bacia do Ribeirão das Velhas, localizando-se na região sudeste do Brasil. Possui uma área de drenagem de 149.4567 Km², tendo o talvegue principal da bacia da seção até sua nascente um comprimento de 17,110 m, atravessando os municípios de Ribeirão das Neves e Pedro Leopoldo.
Clima da região
De acordo com a classificação de Koppen (AYOADE, 1991), na região de estudo, predomina o clima tropical de altitude, caracterizado por médias térmicas anuais entre 19ºC e 27ºC.
O regime anual da chuva dos municípios de Ribeirão das Neves e Pedro Leopoldo é altamente sazonal, basicamente com verão chuvoso e inverno seco, com total de chuva média anual acumulada variando entre 1500 e 2000 mm. O trimestre mais chuvoso ocorre no período de dezembro-janeiro-fevereiro, período em que ocorreu o rebaixamento da estrutura da ponte existente que estava apoiada sobre terreno natural.
Tradicionalmente, janeiro é uma época de muita chuva em todo o Sudeste do Brasil. Além das pancadas de chuva típicas dos dias quentes e úmidos do verão, que acontecem à tarde e à noite, o grande volume de chuva que cai sobre a região Sudeste nesta época é provocado por uma extensa massa de nuvens que ficam quase que paradas sobre a Região, as ZCAS. Estas são grandes volumes de chuva que variam de 200 a 360 milímetros.
Segundo o Climatempo (2012), Zona de Convergência do Atlântico Sul – ZCAS são formações de nuvens alimentadas a partir de uma circulação de ventos sobre a América do Sul que força a concentração de umidade e calor sobre o Sudeste. Ocorre a colisão sobre o Sudeste entre os ventos úmidos e quentes que sopram do Norte do Brasil com outros ventos úmidos e mais frescos que sopram do mar.
No mês de dezembro de 2011, a atuação das ZCAS foi o principal mecanismo responsável pela ocorrência das chuvas acima da normal climatológica em grande parte de Minas Gerais, responsável pelos maiores acumulados de chuva no leste de Minas Gerais. Na capital mineira, a chuva acumulada nesse mês excedeu 700 mm e ficou muito acima do valor climatológico, igual a 292 mm (Fonte: INMET). Esse valor correspondeu a quase metade do total esperado para todo o ano. Esses sistemas atuaram em conjunto com os vórtices ciclônicos na alta troposfera.
Geologia
De acordo com estudos feitos pela CPRM (Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais) no ano de 2003, a micro bacia do Ribeirão das Neves fica nos domínios tectonoestruturais do Bloco Mesoarqueano e Greenstone Belts pertencente ao bloco do Quadrilátero Ferrífero, seu solo é argiloso, possui também rochas e minerais industriais.
Hidrografia
O Ribeirão das Neves recebe a contribuição dos córregos: Colina, Feitagen, Café, do Cacique, Água Fria, Pilões, Lagoinha, Quilombo, Cachoeira, Espraiado e Estiva, que foram considerados na vazão do exutório de estudo.
Vegetação
A cobertura vegetal que se destaca na área de estudo é o Cerrado, porém existe a ocorrência de espécies de transição entre Mata Atlântica e cerrado.
O cerrado é caracterizado por árvores tortuosas de 3 a 6 m, cascas espessas e galhos torcidos. A Mata Atlântica são ecossistemas que apresentam árvores com folhas largas e perenes.
Classificação de imagem de satélite (SPRING)
Classificou-se a imagem de satélite Landsat 7 para obtenção de mapa temático de cobertura do solo e mensuração da área de contribuição a partir da importação da poligonal fechada no software SPRING.(Vide Figura 3)
Para a classificação do solo da área em estudo, utilizou-se o tipo de classificador KMédias com 20 Temas e 20 Interações, recorreu-se à parte de uma cena de uma imagem de 03 de agosto de 2007 do satélite Landsat 7 – Sensor ETM+ com resolução espacial de 30 metros, correspondente a órbita/ponto 218/74.
Levantamento Planimétrico de Campo
Para obtenção dos dados da obra de arte existente, objeto de estudo, foi necessária a visita in loco, onde foi realizado um levantamento planimétrico cadastral, obtendo dessa forma a caracterização do exutório, tais como as dimensões da obra de arte existente, largura do leito do ribeirão e outros, utilizando a estação total.
Determinação da declividade efetiva do talvegue principal
Para o cálculo da vazão, foi necessário obter a declividade efetiva do talvegue principal, que corresponde ao eixo do Ribeirão das Neves. Esse dado foi extraído a partir do vetor gerado no software AUTOCAD, pelo método de interpolação das curvas de nível das cartas do IBGE, resultando em um perfil longitudinal.
Coeficientes da Equação de Chuvas
Através do software Plúvio 2.1, desenvolvido pelo Grupo de Pesquisas em Recursos Hídricos da Universidade Federal de Viçosa, obteve-se o cálculo da intensidade de chuva precipitada e vazão de projeto, utilizando-se de fórmulas hidrológicas e dos coeficientes da equação de chuvas intensas da cidade Pedro Leopoldo. A equação de chuva utilizada na tabela eletrônica para o cálculo da vazão obedece aos mesmos valores do Plúvio.
Definição do coeficiente de escoamento CN
Para obtenção da vazão, um dos dados necessários é o coeficiente de escoamento (CN), que é obtido a partir da caracterização da cobertura do solo da região da bacia.
Em função da diversidade do tipo de cobertura do solo da bacia de contribuição, foi necessário fazer uma média ponderada entre os valores de área apresentados no extrato de medidas de classes obtido após a classificação da imagem de satélite da área.
Para cada tipo de cobertura, existe um fator de escoamento de acordo com a tabela do DNIT, como mostra a Tabela 1.
Estudo Hidrológico
Desenvolveu-se o estudo hidrológico com a finalidade de se fazer a verificação hidráulica da obra de arte existente na interseção da Avenida São Vicente com Ribeirão das Neves e propor a solução necessária ao problema.
O município de Pedro Leopoldo possui um posto pluviométrico localizado nas coordenadas geográficas 19º 38’ W e 44º 03’ aproximadamente 2 Km da localização da bacia de contribuição estudada. Os elementos do posto pluviométrico estão descritos a seguir:
Os dados de precipitação foram obtidos no banco de dados do Convênio entre a Companhia de Saneamento de Minas Gerais (COPASA) e Universidade Federal de Viçosa, que utilizam os dados de chuva do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG) e Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL). Foi analisada a estação pluviométrica 78 do município de Pedro Leopoldo.
Aplicaram-se as fórmulas para o estudo da vazão através das planilhas eletrônicas, provenientes do convênio entre a Universidade Federal de Viçosa e COPASA, com equação mostrada a seguir.
Resultados
O método utilizado para cálculo de vazão da área objeto de estudo foi o Método Racional Hidrograma Triangular Sintético. Abaixo constam os resultados.
Utilizando o software AUTOCAD, obtiveram-se os elementos da bacia hidrográfica de contribuição do Ribeirão das Neves, resultando em:
A = 149,4567 km2 (Área da bacia hidrográfica)
L = 17,1090 km (Comprimento do talvegue principal)
Para o cálculo do coeficiente de escoamento superficial, utilizaram-se as áreas mensuradas nas medidas de classes no software Spring. Na sequência, aplicaram-se os valores tabelados pelo DNIT para cada área em função do tipo de cobertura do solo, como mostra a Tabela 5.
O resultado do CN para aplicação no método do HTS foi calculado a partir da média ponderada dos coeficientes.
CN = 56 (Armazenamento da bacia)
O estudo da vazão de projeto foi calculado a partir dos dados das tabelas, aplicados em planilha eletrônica como mostrado a seguir:
O estudo da vazão de projeto foi calculado a partir dos dados das tabelas, aplicados em planilha eletrônica como mostrado a seguir:
Declividade efetiva = 0, 004 m/m
tc = 4,95 h (Tempo de concentração)
TR = 100 anos; (tempo de retorno adotado)
tp = 5,192 h (tempo de pio do hidrograma)
O estudo da vazão calculado a partir dos dados apresentados acima resultou em:
Q = 214,32 m3/s (Vazão máxima projeto)
No local do exutório, existe uma ponte em concreto, para tanto, adotou-se o TR de 100 anos.
Verificação e dimensionamento da obra de arte corrente projetada
Para as fórmulas do escoamento uniforme, foram utilizadas as expressões das grandezas hidráulicas consideradas na Figura 5.
Após a conclusão do levantamento de campo (vide Figura 4), obtiveram-se os seguintes dados cadastrais da ponte existente no exutório estudado como mostra a Tabela 8.
Onde:
H = altura da seção do bueiro
B = base da seção
d = tirante
A = área molhada do fluxo
Pela figura, tem-se que:
• área molhada: A = Bd
• perímetro molhado: P = B + 2d
• raio hidráulico: R=A/P=Bd/B+2d
• profundidade hidráulica: H=A/T= d
O manual de Manual de Drenagem de Rodovias do DNIT (2006, p.110), classifica o coeficiente de rugosidade descrito a seguir:
Material: Concreto
Tipos: Tubos e células
N: 0,015
Para o dimensionamento do dispositivo hidráulico que comporte a vazão de projeto, obtiveram-se os resultados por meio da utilização de planilhas eletrônicas, conforme mostram os Quadros 2 e 3.
Para cálculo do dispositivo hidráulico, estimaram-se valores de dimensões da célula que comportassem dentro das dimensões da ponte existente. Logo, adotaram-se nos cálculos os seguintes valores: 5,00 m x 3,00 m, entendendo que a ponte existente tem 14,00 m x 3,00.
Nos cálculos apresentados no Quadro 2, pode-se verificar que a vazão para 100 anos resultou em 214,32 m³/s. Na verificação hidráulica do dispositivo estimado, resultou que essas dimensões comportam uma vazão de 86,95 m³/s. Considerando um sistema triplo de bueiro celular em concreto, tem-se 260,85 m³/s, sendo que a vazão de projeto 214,32 m³/s atendo o quesito de vazão.
Após a verificação hidráulica, observou-se que as dimensões adotadas não atendem à velocidade do escoamento, como mostra as tabelas 9 e 10.
Conclusão
Após o estudo da vazão, conclui-se que a seção da ponte atual com extensão de 14 metros com 3 metros de altura comporta a vazão contribuinte da bacia hidrográfica do Ribeirão das Neves com uma área de 149,4567 km² e talvegue principal de 17,1090 km.
Os cálculos apresentados mostraram que um sistema de drenagem composto por três bueiros celulares com dimensões de 5,00 metros de comprimento e 3,00 metros de altura atende a demanda do exutório estudado. No entanto, mesmo que se adotasse esse sistema seria necessário aumentar o leito do córrego devido ao estrangulamento a montante do exutório, causado pela intervenção antrópica na várzea do Ribeirão das Neves.
A cobertura vegetal que se destaca na área de estudo é o cerrado com transição de Mata Atlântica e através do mapeamento do solo da bacia de contribuição foi possível observar que a vegetação ainda predomina na bacia de contribuição, porém percebe-se a incidência de desmatamento proveniente da extração da areia, realizada sem se tomarem as medidas para recuperação ambiental da área degradada, mudando o trajeto dos cursos d’água e agravando os problemas das cheias. Outra percepção é o fato da expansão urbana descontrolada na região, o que compromete as nascentes dos afluentes do Ribeirão das Neves, eliminando as matas ciliares e poluindo suas águas com esgotos sanitários domésticos e industriais.
Percebeu-se em campo a adoção de um bueiro simples tubular metálico (BSTM) ao lado da seção da ponte existente, com intuito de aumentar a vazão e compensar o estrangulamento. A queda na cabeceira do ponto, na junção com a Avenida São Vicente, ocorreu exatamente no alinhamento deste bueiro obstruindo o tráfego.
Observou-se, também que o BSTM estava obstruído o que indica falta de manutenção no local. Apesar destes desvios na obra, pode-se afirmar que a ponte de concreto não apresentava nenhuma perda de estrutura estando aparentemente preservada.
Diante do exposto, conclui-se que na região onde está localizado o BSTM é necessário se complementar a extensão da ponte ou se implantar três bueiros celulares com dimensões de 5,00 m de comprimento e 3,00 metros de altura. Estas propostas podem compensar o estrangulamento do leito no ponto do exutório, que passou a atuar como um obstáculo para água, desestruturando o solo da região do dispositivo.
A utilização do bueiro simples tubular metálico foi uma solução rápida e de baixo custo, porém não suficiente para resolver do problema na interseção da Avenida São Vicente com o Ribeirão das Neves.
Enfim, com os cálculos verificou-se que as dimensões da ponte existente comportam a vazão de projeto, o erro identificado restringiu-se apenas na adoção do BSTM que provocou a queda do solo sobre parte do acesso da Avenida São Vicente que chega à ponte no sentido bairro centro.
Rerefências
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