HYDRAULIC-HYDROLOGICAL MODELING OF THE EFFECTS OF SUSTAINABLE SOLUTIONS ON THE DRAINAGE OF THE CANAL 4 URBAN SUB-BASIN, SANTOS SP

___________________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 571 (Ciências Exatas) MODELAGEM HIDRÁULICA-HIDROLÓGICA DOS EFEITOS DE SOLUÇÕES SUSTENTÁVEIS NA DRENAGEM DA SUBBACIA URBANA DO CANAL 4, SANTOS-SP HYDRAULIC-HYDROLOGICAL MODELING OF THE EFFECTS OF SUSTAINABLE SOLUTIONS ON THE DRAINAGE OF THE CANAL 4 URBAN SUB-BASIN, SANTOSSP Kauê Leocádio Gomes, Guilherme Cerqueira Da Silva, Matheus Souza Ruiz, Regina de Souza Ferreira, Alexandra Franciscatto Penteado Sampaio Universidade Santa Cecília, Faculdade de Engenharia, Curso de Engenharia Civil E-mail para contato: [email protected] RESUMO – A intensificação das mudanças climáticas e a urbanização elevada agravam os problemas de drenagem em cidades costeiras como Santos-SP, devido à impermeabilização do solo, a influência permanente do nível do mar e os eventos extremos de chuva mais frequentes. Este trabalho avalia o uso de soluções sustentáveis, como a implementação pavimentos permeáveis e jardins de chuva, na sub-bacia do Canal 4, utilizando modelagem hidráulica-hidrológica de escoamento com o software MIKE+. Foram empregados dados pluviométricos, de vazão do canal, topográficos e de uso do solo, com calibração por métricas estatísticas como o Coeficiente de Determinação (R²) e Erro Quadrático Médio (RMSE). Resultados iniciais comprovaram a eficácia dessas soluções na redução dos riscos de alagamentos frente ao sistema atual. Palavras-chave: Sustentabilidade; Modelagem Numérica; Gestão de Águas Pluviais; MIKE+. ABSTRACT – The intensification of climate change and urbanization aggravates drainage problems in coastal cities such as Santos-SP, due to soil impermeabilization and increasingly frequent extreme rainfall events. This study evaluates the feasibility of sustainable solutions, such as permeable pavements and rain gardens, in the Canal 4 sub-basin, using hydraulic-hydrological modeling in MIKE+. Rainfall, flow, topographic, and land-use data were employed, with calibration based on statistical metrics such as the Coefficient of Determination (R²) and Root Mean Square Error (RMSE). The results confirmed the effectiveness of these alternatives in reducing flood risks compared to the current system. Keywords: Sustainability; Numerical Modeling; Stormwater Management; MIKE+. ___________________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 572 (Ciências Exatas) 1 INTRODUÇÃO As mudanças climáticas figuram entre as maiores ameaças globais, refletidas no aumento da temperatura média, na intensificação e frequência de eventos extremos (IPCC, 2023). O derretimento de geleiras e a elevação do nível do mar, ampliam os riscos em regiões suscetíveis a inundações, como evidenciado em Porto Alegre (2024) e em toda a região do Litoral Norte de São Paulo (2023), demonstrando a crescente vulnerabilidade urbana a desastres hidrológicos (Marengo et al., 2024). Nesse contexto de crescente vulnerabilidade, o município de Santos (Figura 1) destaca-se como um dos mais populosos do estado de São Paulo, configurando-se como o principal centro urbano da Região Metropolitana da Baixada Santista (IBGE, 2022). O sistema de drenagem urbana da cidade foi concebido por Saturnino de Brito e implementado por meio da construção dos canais de Santos, concluídos em 1927. Figura 1. Localização da Cidade de Santos. Fonte: Autor, 2025 ___________________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 573 (Ciências Exatas) Atualmente, esse sistema apresenta limitações, refletidas na recorrência de alagamentos, fenômeno associado ao intenso processo de urbanização. Conforme Tucci (1995), os impactos da drenagem urbana tendem a ser agravados pelo avanço da impermeabilização do solo, decorrente da substituição da cobertura vegetal por áreas edificadas e pavimentadas. A área de estudo desse projeto é a sub-bacia urbana do Canal 4, que constitui os bairros do Boqueirão, Macuco e Embaré, possui alta densidade populacional e infraestrutura antiga, sendo prioritária na busca por mudanças. Nesse cenário, as Soluções Baseadas na Natureza (SbN), como pavimentos permeáveis e jardins de chuva, aparecem como alternativas sustentáveis à infraestrutura cinza e impermeável, pois reduzem o escoamento superficial, facilitam a recarga do lençol freático, e ajudam para a valorização do ambiente urbano. A gestão hídrica urbana demanda modelos hidrológicos e hidráulicos: os primeiros simulam precipitação, infiltração e escoamento; os segundos, o fluxo em condutos (Silva, 2007; Righetto, 1977). A integração viabiliza prever eventos críticos, identificar áreas vulneráveis e testar cenários de uso do solo. O software MIKE+, desenvolvido pela Danish Hydraulic Institute, é uma plataforma abrangente para modelagem e gestão de águas pluviais, que foi escolhida para o projeto exatamente por sua integração de outros modelos numéricos dentro do software, como o MIKE21, MIKE SHE, FEFLOW (DHI, 2020). O temporal ocorrido em 18 de fevereiro de 2025, afetou o litoral paulista e deixou um rastro de destruição em Santos, evidenciou mais uma vez a vulnerabilidade das cidades costeiras frente aos eventos climáticos extremos (G1, 2025). Segundo o Instituto Nacional de Meteorologia (INMET, 2025), alguns pontos da cidade registraram mais de 150 mm de chuva em poucas horas, volume suficiente para sobrecarregar o sistema de drenagem. Essa combinação de condições meteorológicas e oceanográficas severas e alta impermeabilização do solo, decorrente da urbanização acelerada, acentua a necessidade na adoção de soluções sustentáveis de manejo das águas pluviais. O objetivo geral deste trabalho é avaliar, por meio de modelagem hidráulicahidrológica, o impacto da implementação de pavimentos permeáveis e jardins de chuva na drenagem da sub-bacia do Canal 4. Para este fim, foram definidos os seguintes objetivos específicos: i) levantar e processar dados de precipitação, topografia, uso do solo e da rede de drenagem da área de estudo; ii) configurar e calibrar o modelo hidrológico-hidráulico MIKE ___________________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 574 (Ciências Exatas) URBAN+; iii) comparar os indicadores de escoamento superficial e infiltração entre o cenário convencional e o cenário com as SbN implementadas. 2 MATERIAIS E MÉTODOS O estudo foi realizado através de modelagem numérica com o software MIKE+, seguindo três etapas: aquisição e processamento de dados, configuração do modelo, calibração e validação. Os dados de precipitação foram coletados da estação Estuário (lat. –23,967; long. – 46,305), obtidos através da rede de pluviômetros (Figura 2) do Mapa Interativo do Centro Nacional de Monitoramento e Alertas de Desastres Naturais (Mapa Interativo – CEMADEN, 2025), na ausência desses dados, foi utilizada informação da estação mais próxima geograficamente, que é a estação Ponta da Praia (lat. -46.300; long. -23.981). A topografia utilizada foi com base no levantamento feito em 2023 com drones e sensores Light Detection and Ranging (LiDAR) realizada pela Prefeitura Municipal de Santos (PMS). Após o tratamento dos dados espúrios foi confeccionado um Modelo Digital de Terreno (MDT), Figura 3, com resolução de 50cm através do software QGIS. Figura 2. Localização dos Pluviômetros. Fonte: Mapa Interativo CEMADEN ___________________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 575 (Ciências Exatas) Figura 3. Modelo Digital da bacia do canal 4 usando dados LiDAR, Fonte: Autor, 2025 Dados do município de uso e ocupação do solo, loteamento e rede de micro drenagem utilizados, essenciais para a definição da impermeabilidade do terreno, foram retirados do Diagnóstico de Revisão do Plano Diretor de Desenvolvimento e Expansão Urbana do Município de Santos (SANTOS, 2021) e da Coordenadoria de Informações Urbanas (COINURB, 2021). A medição de vazão de lançamento do Canal 4 foi fornecida pela Gestão de Recursos Hídricos da Unidade de Negócio de Produção de Água da Metropolitana (MA/Sabesp), com dados de um medidor ultrassônico portátil (ADCP - Acoustic Doppler Current Profiler) em levantamento realizado em 15 e 16 de junho de 2015 (Ribeiro et al., 2019). Resultados de nível do mar foram extraídos de simulações do Núcleo de Pesquisas Hidrodinâmicas da Universidade Santa Cecília (NPH-UNISANTA), através do modelo Delft3D-FLOW (Ruiz et al., 2021) nos pontos mais próximos da orla e do estuário, sendo eles os pontos Praticagem e Capitania (Figura 4). No MIKE+, foram simulados dois cenários: 1) A drenagem convencional atual, e 2) Com as aplicações de SbN (pavimentos permeáveis e jardins de chuva) integradas. O modelo quantificará a redução do escoamento superficial e o aumento da infiltração da bacia, avaliando a aplicabilidade das SbN para diminuir alagamentos. ___________________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 576 (Ciências Exatas) Figura 4. Localização dos resultados do modelo hidrodinâmico Delft3D-FLOW, Fonte: Autor, 2025 A calibração do modelo usa as métricas estatísticas a seguir, comparando-as com as medições de vazão, coeficiente de Nash-Sutcliffe (Nash), erro quadrático médio (RMSE) e coeficiente de determinação (R²), conforme Nash & Sutcliffe (1970) e Moriasi et al. (2007). A qualidade da calibração será classificada segundo Moriasi et al. (2007) em "muito bom", "bom", "razoável" ou "ruim", garantindo confiabilidade dos resultados simulados. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Os resultados obtidos por meio das simulações no MIKE+ permitiram comparar o comportamento hidrológico da sub-bacia do Canal 4 nos dois cenários distintos. A calibração do modelo foi realizada utilizando as séries temporais de vazão medidas no ponto de descarga do Canal 4 e o evento de precipitação na data. Os resultados (Figura 5) apresentaram um coeficiente de Nash-Sutcliffe (NSE) de 0,68, R² = 0,51, e RMSE = 0,63, classificando o desempenho do modelo como “Bom”, segundo os critérios (Tabela 1) de Moriasi et al. (2007). A validação confirmou a capacidade preditiva do modelo, com valores ___________________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 577 (Ciências Exatas) similares após ajustes em definições do Tempo de Concentração (Tc) e características do canal. Esses resultados asseguram uma confiabilidade das simulações nos cenários propostos. Figura 5: Resultados dos Escoamentos na bacia do canal 4, em azul ciano o escoamento na direção do estuário e em amarelo na direção da orla da praia. Fonte: Autor, 2025 Tabela 1 – Classificações gerais de desempenho para estatísticas recomendadas em um passo de tempo mensal. Fonte: Adaptado, Moriasi et al. (2007). Avaliação Nash R² RMSE Muito Bom 0,75 - 1,00 0,70 - 1,00 0,00 - 0,50 Bom 0,65 - 0,75 0,50 - 0,70 0,50 - 0,60 Razoável 0,50 - 0,65 0,30 - 0,50 0,60 - 0,70 Ruim < 0,50 < 0,30 > 0,70 No cenário atual, observou-se alta taxa de escoamento superficial e baixa infiltração, com o pico de vazão concentrado poucos minutos após o início das chuvas intensas. O escoamento superficial médio na sub-bacia atingiu aproximadamente 60% da precipitação total, evidenciando a forte impermeabilização do solo urbano. ___________________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 578 (Ciências Exatas) As regiões mais críticas foram identificadas nas áreas centrais do Boqueirão (Figura 6), no entorno da Avenida Afonso Pena, e toda a extensão da Avenida Siqueira Campos, onde o escoamento foi de 8 à 14 m³/s durante os períodos de maior intensidade de chuva. Tais resultados corroboram registros de noticiários e relatos de alagamentos fornecidos pela Defesa Civil de Santos. Figura 6. Instante mais Crítico do escoamento superficial na Sub-bacia urbana do canal 4 da data do dia 15/06/2016, variando de >=14 m³/s (vermelho) até 0m³/s (púrpura). Fonte: Autor, 2025 Com a inserção de pavimentos permeáveis e jardins de chuva, utilizando o método de estimativa do MIKE+, calculando os polígonos de pavimento na Av. Siqueira Campos e áreas de calçadas como polígonos para jardins de chuva através do Google Earth, os resultados do modelo indicaram uma melhora no volume total de escoamento superficial e um aumento na infiltração, com o ponto mais crítico com vazão de 8m³/s. Além disso, o pico de vazão na seção de saída do Canal 4 foi reduzido em cerca de 18%. Esta defasagem hidrológica demonstra preliminarmente a capacidade dessas soluções em reter e infiltrar parte da água da chuva, aliviando o sistema de micro drenagem e reduzindo o risco de sobrecarga nas galerias. ___________________________________________________________________________ Anais do Congresso Brasileiro de Iniciação Científica Vol2 nº2 (2025) 579 (Ciências Exatas) A análise espacial dos resultados mostra que as áreas com maior impacto positivo foram aquelas onde houve substituição de pavimentos convencionais por permeáveis. Já os jardins de chuva implementados em canteiros e praças contribuíram para reduzir pontos de acúmulo de água e melhorar a drenagem local. Observou-se também que a capacidade de infiltração adicional proporcionada pelas SbN reduziu o volume de água direcionado ao canal principal, o que, em termos práticos, representa menor pressão hidráulica sobre as comportas e estruturas de descarga próximas ao estuário. Os resultados reforçam a eficácia das Soluções Baseadas na Natureza como instrumentos complementares aos sistemas de drenagem sustentável, que destacam a integração de infraestrutura verde como uma metodologia capaz de aliviar o risco de inundações urbanas. Além dos benefícios hidráulicos, as SbN contribuem para a melhoria microclimática e valorização do espaço urbano, impulsionando um ambiente mais resiliente e sustentável. No entanto, ressalta-se que a efetividade a longo prazo depende da manutenção periódica das estruturas e da adequação dos materiais permeáveis às condições locais de solo e clima. 4 CONCLUSÃO Este estudo teve como objetivo avaliar preliminarmente o impacto da implementação de soluções baseadas na natureza, como pavimentos permeáveis e jardins de chuva na drenagem da sub-bacia do Canal 4, em Santos, utilizando modelagem hidráulica-hidrológica. Os resultados obtidos demonstraram que a adoção dessas soluções resultou em uma redução do escoamento superficial e um aumento na infiltração das águas pluviais, com potencial de mitigação dos alagamentos na área de estudo. As simulações realizadas no modelo hidrológicohidráulico MIKE+ indicaram que, com a implementação das SbN, a capacidade de drenagem da sub-bacia como um todo melhorou consideravelmente, com uma diminuição no risco de inundação, principalmente em áreas mais vulneráveis à impermeabilização do solo. A calibração do modelo mostrou um bom desempenho, com os resultados simulados apresentando um coeficiente de Nash-Sutcliffe satisfatório e valores de erro quadrático médio (RMSE) dentro dos limites aceitáveis. Sendo assim, representando bem a realidade. Esses resultados demonstram o potencial da modelagem no estudo das soluções baseadas na natureza como alternativas sustentáveis à infraestrutura tradicional de drenagem urbana. Agradecemos à