Velocity assessment of rivers in mountainous watershed, southern of Santa Catarina

O presente estudo teve por objetivo avaliar a velocidade de dois rios, Malacara e Molha Coco, de bacias montanhosas no sul do Brasil. As velocidades foram avaliadas com três métodos: (a) medição direta da velocidade em campo; (b) equações de Manning e de Jarret, usando dados geomorfológicos medidos em campo; (c) simulação com HEC-RAS 2D. Para verificar a coerência das velocidades calculadas e simuladas com os coeficientes de Manning (n) de 0,03, 0,05 e 0,07, comparou-se com as velocidades medidas em campo, onde existe uma estação fluviométrica que mede o nível de água com intervalo de 10 min. As velocidades que mais se aproximaram aos dados medidos foram as calculadas pela equação de Jarrett, sendo a diferença média entre elas de 12%. As velocidades calculadas por Manning com n=0,05, também apresentaram velocidades próximas aos dados medidos. Porém, com n=0,03 a diferença aumentou significativamente. Já com o HEC-RAS 2D ocorreu o inverso de Manning, ou seja, com n=0,03 as diferenças foram menores em relação aos dados medidos. Comparando os métodos de Manning e HEC-RAS 2D com o método de Jarrett, as velocidades que mais se aproximaram foram estimadas com n=0,05 e 0,07. As equações de Manning e de Jarrett e a modelagem com HECRAS 2D mostraram-se adequadas para estimar a velocidade dos rios Malacara e Molha Coco. Porém, Manning e HECRAS 2D dependem da escolha do valor de n adequado, que é sensível à variação do fluxo na seção de medição e ao longo do canal.This study aimed to evaluate the velocity of two rivers, Malacara and Molha Coco, in mountain watershed located in southern Brazil. Velocities were assessed with three methods: (a) direct velocity-measurement in field; (b) Manning's and Jarrett ́s equations with geomorphological data measured in the field; (c) simulation with HEC-RAS 2D. To check the coherence of the calculated and simulated velocities with the Manning coefficients (n) of 0.03, 0.05 and 0.07, the present study compared velocities measured in the field, where there is a discharge station that measures the water level with 10 min interval. The velocities that were closest to the measured data were those calculated with Jarrett equation, where the mean difference between them was 12%. The velocities calculated by Manning equation with n=0.05 were also close to the measured data. However, with n = 0.03, the difference increased significantly. With the HEC-RAS 2D, the inverse of Manning occurred, i.e., with n = 0.03 the differences were smaller in relation to the measured data. Comparing the Manning and HEC-RAS 2D methods with the Jarrett method, the velocities that came closest were estimated with n=0.05 and 0.07. The present study showed a good performance of the Manning and Jarret equations and the HEC-RAS 2D modeling to estimate the velocity of the Malacara and Molha Coco rivers. However, with Manning equation and HECRAS 2D depended on the choice of the appropriate value of n which is sensitive to the flow variation at the measurement section and along the channel

Estimativa de perdas de solos pelo modelo USLE em bacia hidrográfica de região montanhosa no sul de Santa Catarina, Brasil

Water erosion is a factor of soil degradation that is triggered by the impact of raindrops originated by intense rainfall disaggregating the soil, followed by the carrying of particles by surface runoff. In the erosion process, in addition to soil loss, nutrients, fertilizers, and pesticides are carried resulting in water courses and water pollution. Erosion can have a major impact on agricultural production, when soil use and management techniques are not used. Therefore, this study aimed to evaluate the soil loss in the Malacara river basin, which is a sub-basin of the Mampituba river basin characterized by a contrasting relief, with high altitudes in the escarps of Serra Geral and floodplain. The method used for the development of this research was the application of the Universal Soil Loss Equation (USLE). USLE soil loss estimation requires the following factors: rainfall erosivity (R), soil erodibility (K), slope length (L), slope steepness (S), soil use and management (C), and erosion control practice factor (P). The estimated rainfall erosivity was 5,754.2 MJ mm ha-1 h-1 year-1. Erodibility was determined for the soils present in the basin, highlighting a high value for gleysoil. The topographic factor (LS) showed values from 0 to greater than 20, which corresponds to the low to very high runoff potential. The floodplain showed lower runoff rates, while for the locations close to the enclosed valleys in the Malacara canyon, the runoff potential varied from high to very high. The soil use and management factors and conservation practices (CP) obtained a maximum value of 0.404, corresponding to the exposed soil; the second most representative class was agricultural areas, with a value of 0.145. The soil loss in the Malacara river basin varied from 0 to more than 200 t ha-1 year-1. In fact, 87.38% of the area presents a degree of sheet erosion normal to slight and, only 2.94% of the area has a high or very high degree of erosion. Moreover, due to the relief characteristics with shallow soils and intense rainfall in mountainous basins, knowing and understanding soil losses due to erosion is crucial for the adequate management of water resources in river basins. A erosão hídrica é um fator de degradação do solo que é desencadeado pelo impacto das gotas de chuvas originadas por precipitações intensas, desagregando o solo, seguido pelo carreamento das partículas pelo escoamento superficial. No processo de erosão, além de perdas de solos, ocorre carreamento de nutrientes, fertilizantes, defensivos agrícolas e, dessa forma, ocorrem os processos de assoreamento dos cursos d’água e poluição dos recursos hídricos. A erosão pode gerar grande impacto na produção agrícola, quando não são realizadas técnicas de uso e manejo do solo. Nesses aspectos, o presente trabalho teve como objetivo avaliar a perda de solos na bacia hidrográfica do rio Malacara, que é uma sub-bacia da bacia do rio Mampituba, caracterizada por um relevo contrastante, com grandes altitudes nas escarpas da Serra Geral e a planície de inundação. O método utilizado para o desenvolvimento da pesquisa foi aplicação da Equação Universal de Perda de Solo (USLE). A estimativa da perda de solo pela USLE requer os fatores: erosividade da chuva (R), erodibilidade do solo (K), comprimento da vertente (L), declividade da vertente (S), uso e manejo do solo (C) e práticas conservacionistas (P). A erosividade da chuva estimada foi de 5.754,2 MJ mm ha-1 h-1 ano-1. A erodibilidade foi determinada para os solos presentes na bacia, destacando um elevado valor para o Gleissolos. O fator topográfico (LS) apresentou valores de 0 a maiores que 20, que corresponde ao potencial de escoamento superficial baixo a muito alto. A planície de inundação apresentou taxas de escoamento superficial menores, enquanto os locais próximos aos vales encaixados, no cânion Malacara, o potencial de escoamento superficial variou de alto a muito alto. Os fatores de uso e manejo do solo e de práticas conservacionistas (CP) obtiveram valor máximo de 0,404, correspondente ao solo exposto, a segunda classe mais representativa foi áreas agrícolas, com valor 0,145. A perda de solo na bacia hidrográfica do rio Malacara, variou de 0 a mais de 200 t ha-1 ano-1, onde 87,38% da área apresenta um grau de erosão laminar normal a ligeiro e, apenas 2,94% da área possui um alto ou muito alto grau de erosão. Adicionalmente, devido às características de relevo, solos pouco profundos, precipitações intensas nas bacias montanhosas, conhecer e compreender as perdas de solo por erosão é de extrema relevância para o adequado gerenciamento de recursos hídricos de bacias hidrográficas

Flood analysis in mountain basins in southern Brazil through monitoring and modeling

Bacias hidrográficas montanhosas são mais propensas aos perigos naturais, devido à ocorrência de eventos hidrológicos de alta intensidade e às características geomorfológicas destes locais, como o relevo declivoso e a presença de leques aluviais. O presente estudo teve como objetivo avaliar a inundação em bacias hidrográficas montanhosas no sul do Brasil, por meio de monitoramento e modelagem com HEC-HMS e HEC-RAS 2D, visando o mapeamento de perigo de inundação. Realizou-se um levantamento dos registros históricos de inundação, ocorridos em 2007 nas regiões de leque aluvial dos rios Molha Coco e Malacara. O HEC-HMS foi calibrado e validado com dados monitorados de vazão. Os hidrogramas com as vazões máximas simuladas pelo HEC-HMS foram propagados no modelo HEC-RAS 2D. Com essas vazões foram gerados mapas de profundidades, velocidades e índice de perigo de inundação para os períodos de retorno de 5, 100 e 200 anos. Os mapas de perigo mostraram que, o maior valor do índice de perigo de inundação foi encontrado dentro da calha dos rios e nos locais de avulsão. Nesses locais, existem pousadas, restaurantes e residências, que podem sofrer danos estruturais e expor as pessoas ao perigo de um evento de inundação de magnitude elevada.Mountain basins are more prone to natural hazards, due to occurrence of highly-intensive hydrological events, and local geomorphic characteristics, such as steep hillslopes and the alluvial fans. The present study aimed to assess the flood hazard degree in mountain basins in southern Brazil, through monitoring and modeling with HEC-HMS and HEC-RAS 2D. A survey of the historical flood records, which took place in 2007 in the alluvial fan regions of the Molha Coco and Malacara rivers, was carried out. The HEC-HMS was calibrated and validated with monitored flow data. The hydrographs with the maximum flow rates simulated by the HEC-HMS were propagated in the HEC-RAS 2D model. With these flows, maps of depth, velocity and flood hazard index were generated for the return periods of 5, 100 and 200 years. Potential hazard maps show that the highest value of the flood hazard index was found within river channels and at avulsion sites. In these places, there are inns, restaurants and residences, which can generate damage and expose people to the flood hazard with high magnitude

Análise de inundações em bacias montanhosas no sul do Brasil por meio de monitoramento e modelagem

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Araranguá, Programa de Pós-Graduação em Energia e Sustentabilidade, Araranguá, 2020.A região de bacias montanhosas é muito atrativa devido à paisagem exuberante, e porque as terras estão mais disponíveis para serem exploradas. Entretanto, essas regiões são mais propensas aos perigos naturais, devido à ocorrência de eventos hidrológicos de alta intensidade e ao tipo de relevo declivoso, que aumentam o potencial destrutivo desses locais. O presente estudo teve por objetivo avaliar a inundação em bacias montanhosas no Sul do Brasil, por meio de monitoramento e modelagem com HAND e HEC-RAS 2D, visando o mapeamento de perigo. Realizou-se um levantamento dos registros históricos de inundação, ocorridos em 2007 nas regiões de leque aluvial dos rios Molha Coco e Malacara, onde está localizado o município de Praia Grande, sul Santa Catarina. Em março de 2007 ocorreram nessa região eventos de grande magnitude com inundação e deslizamentos, causados por uma chuva intensa, em menos 24 horas. Em setembro de 2019 foi instalada uma estação fluviométrica na bacia do rio Malacara. Os dados de vazão medidos referentes aos períodos de 02/01/2020 a 06/01/2020 e 21/01/2020 a 26/01/2020, foram utilizados para calibração e validação do modelo HEC-HMS, respectivamente. Os hidrogramas com as vazões máximas simuladas pelo HEC-HMS ajustado (NSE de 0,87) foram utilizadas para propagar os hidrogramas no modelo HEC-RAS 2D. Com essas vazões foram gerados mapas de profundidades, velocidades e de perigo de inundação para os períodos de retorno (TR) de 5, 10, 50, 100 e 200 anos. Na reconstituição do evento de 2007 foram utilizadas as vazões máximas de 56,36 m³.s-1 e 92,39 m³.s-1 para os rios Molha Coco e Malacara, respectivamente, que foram obtidas com os parâmetros ajustado no HEC-HMS e correspondem ao período de retorno de 100 anos. Verificou-se que a extensão da área de inundação, a profundidade e a velocidade da água, simuladas no HEC-RAS 2D, aumenta à medida que a frequência dos eventos diminui. As profundidades de 1 m e as velocidades de 1 m.s-1 , predominam em todos os períodos de retorno (TR). Já as maiores profundidades e velocidades foram de 12,82 m (TR=200) e 20 m.s-1 (limiar considerado para todos os TRs), respectivamente. Esses valores foram encontrados nas partes mais declivosas das bacias de estudo, dentro dos canais e nos locais de avulsão. Os mapas de perigo mostraram que, o maior valor do índice de perigo de inundação foi encontrado dentro da calha dos rios e nos locais de avulsão. Nesses locais, existem pousadas, restaurantes e residências, que podem sofrer danos estruturais e expor as pessoas ao perigo de um evento de inundação dessa magnitude. Também, comparou-se o modelo HAND com o HEC-RAS 2D para verificar se o seu desempenho em mapear as áreas de inundação em regiões montanhosas, como resultado obteve-se um F estatístico de 39,6% e o Kappa de 0,35, mostrando que seu desempenho foi razoável. O presente estudo, demonstrou a importância do monitoramento e modelagem dos processos hidrológicos em bacias montanhosas, os quais permitiram realizar o mapeamento de perigo de inundação, a fim de auxiliar os gestores no gerenciamento de desastres naturais hidrológicos e no planejamento territorial, como forma de prevenção para a ocupação de áreas de perigo de inundação.Abstract: Mountain basins areas are very attractive due to the beautiful landscape, the cold climate and because the lands are more available to be explored. However, these areas are prone to natural hazards, due to occurrence of high-intensity rainfall events and the type of steep terrain, which increase the destructive potential in these locations. The present study aimed to assess flood in mountain basins in southern Brazil, through monitoring and modeling with HAND and HECRAS 2D, aiming at hazard mapping. A survey was carried out in order to collect the historical records of flooding which occurred in 2007 in the basins of the Molha Coco and Malacara rivers, where the municipality of Praia Grande, south Santa Catarina, is located. In March 2007, events of great magnitude occurred in this region, caused by intense rain, in less than 24 hours. In September 2019, a river discharge station was installed in Malacara River basin. The flow data obtained during the periods from 1st to 6th of January, 2020 and 21st to 26th, 2020, were used for calibration and validation of the HEC-HMS, respectively. The maximum flow rates simulated by the calibrated HEC-HMS (coefficient of Nash = 0.87) were used to propagate the hydrographs in the HEC-RAS 2D. With these flows, maps of depths, speeds and flood hazards were generated for the return periods (TR) of 5, 10, 50, 100 and 200 years. In the reconstitution of the 2007 event, the maximum flows of 56.36 m³.s-1 and 92.39 m³.s-1 were used for the rivers Molha Coco and Malacara, respectively, which were obtained with the parameters calibrated in HEC-HMS and correspond to TR of 100 years. The results showed that the extension of flood area, depth and the water speed, simulated in the HEC-RAS 2D, increase as the frequency of the events decreases. Depths of 1 m and speeds of 1 m.s-1 , predominate in all the TR. The largest depths and speeds were 12.82 m (TR = 200) and 20 m.s-1 (for all TRs), respectively. These values were found in the steepest parts of the study basins, within the canals and in the places of avulsion. Hazard maps showed that the highest degree of flood hazard was found within river channels and at avulsion sites. In these locations there are inns, restaurants and residences, which can suffer from structural damage and expose people to the danger of a flood event of this magnitude. Also, the HAND was used to verify its performance in flood mapping in mountainous regions and a statistical F of 39.6% and a Kappa of 0.35 were obtained, which indicate a reasonable performance. The present study showed the importance of monitoring and modeling of hydrological processes in mountain basins, and allowed performing flood hazard mapping that can assist in the management of hydrological disasters and in territorial planning, as a way to avoid the occupation of flood hazard areas