Avaliação do Risco de Galgamentos e Inundação Costeira na Baixada Santista José

Recebemos uma contribuição importante em nosso blog do colega engenheiro José Eduardo Carneiro Barros, doutorando do Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo - USP, cujo objeto de sua pesquisa é a “Avaliação do Risco de Galgamentos e Inundações na Baixada Santista”.

O estudo desenvolvido na USP, orientado pelo Professor Dr. Joseph Harari, é de fundamental importância para o município de Santos, principalmente por estudos pretéritos apontarem para riscos de erosão e inundação no litoral santista.

Confira abaixo o projeto de pesquisa em curso:

Avaliação do Risco de Galgamentos e Inundação Costeira na Baixada Santista

1. Introdução:

“A zona costeira é uma área de equilíbrio frágil e de dinâmica muito complexa, a qual é necessário conhecer melhor e respeitar, no sentido de preservar e valorizar o patrimônio natural, paisagístico e cultural” (INAG).

O cenário atual de mudanças climáticas a nível global, está alterando a forma de como enxergamos a ocupação em ambientes costeiros, desde o aumento significativo em frequência e intensidade de eventos extremos, ao aumento do nível médio dos mares, erosão costeira e a pressão antrópica no que diz respeito a ocupação em zonas de alta vulnerabilidade a tais fatores.

Com isso, regiões urbanas costeiras densamente ocupadas são uma das mais vulneráveis,

com possibilidades reais de inundação em médio e longo prazo, trazendo consequências econômicas para a pesca, a agricultura, a navegação, a recreação, o lançamento de efluentes, a proteção costeira, a produtividade biológica e a diversidade (Comissão Nacional Independente sobre os Oceanos, 1998).

A Baixada Santista, a mais populosa e urbanizada subunidade do litoral paulista, tem apresentado modificações profundas, com significativa alteração na qualidade ambiental devido a intensa urbanização, como o caso de Santos e São Vicente, seja ela decorrente da industrialização, como o complexo industrial de Cubatão, do complexo portuário (Santos) ou através do turismo, como a Praia Grande, Guarujá e Bertioga (Arasaki, et al. 2008).

Por outro lado, enquanto que para o patrimônio urbano possam haver soluções, mesmo que complexas e controversas, para cenários de inundação costeira através de intervenção como obras de contenção ou por realocação, por exemplo, o patrimônio natural, com destaque para áreas de manguezal nessa região, pode não contar com soluções como estas, já que a migração destes para áreas mais interiores é impossibilitada.

O estudo realizado por Arasaki, et al. (2008), através da modelagem física, abrangeu grande parte dos municípios da Baixada Santista e mostraram que eventuais cenários de inundação nas áreas urbanas e nos bosques de mangues para o ano de 2100, terão consequências irreparáveis como a perda superior a 50% da área total de manguezal hoje existente nessa região e a inundação de uma considerável área urbanizada.

Trabalhos realizados por Harari e Camargo (2006), por meio do Princeton Ocean Model (POM) tiveram resultados da hidrodinâmica na região da Baixada Santista na questão das correntes de maré, através de simulações tridimensionais. Desta forma, se estabeleceu um sistema de previsão de marés e de correntes de maré, apesar que componentes derivadas de efeitos meteorológicos não foram implementadas, tais como os efeitos das frentes frias na circulação costeira, a interação entre a circulação gerada por efeitos meteorológicos e de marés (com ênfase na sua estrutura tridimensional) e a interação entre a circulação costeira e as descargas fluviais.

Porém, em um estudo mais recente (Campos, Camargo e Harari, 2010), se observou que, na ocorrência conjunta de tempestades com o período de máxima maré astronômica (sizígia), o nível do mar pode se elevar extraordinariamente, causando inundações na costa. A diferença entre a maré medida em situações como esta, e a maré astronômica prevista, caracteriza justamente a maré meteorológica, que foi quantificada nesse estudo. Além disso, foi obtida também a porcentagem de eventos de sobre-elevação do nível do mar para cada estação do ano para a região de Santos, entre os anos de 1951 e 1990, chegando a conclusão que a ocorrência média de tais eventos de sobrelevação do nível do mar é mais frequente no outono e inverno e pode chegar até cerca de 0.4 metros para cima ou para baixo.

Já o estudo realizado por Marengo, et al. (2017), através da modelagem geoespacial, avaliando eventuais cenários de aumento do nível médio do mar associado a condições extremas de marés e sobre-elevação do mar, calculou em até 467 milhões de dólares de prejuízos para o ano de 2100, com uma enchente de período de retorno de 100 anos, caso nenhuma ação de adaptação seja realizada em Santos.

Apesar das projeções não serem favoráveis, existem maneiras de se obstar tais eventos, algumas tendo obtido sucesso em várias regiões do mundo, tais como: aterro hidráulico de praias (engorda ou preenchimento), diques, quebra-mares, canais ou mesmo realocação.

Alternativas como estas, podem reduzir os custos com reparação utilizando o caminho da

prevenção e adaptação, mas, para isso, são necessários extensos estudos para servirem de subsídio aos tomadores de decisão, determinando áreas de maior risco, apropriado dimensionamento de obras e principalmente as condições dinâmicas e ambientais que essas eventuais obras estarão sujeitas.

No âmbito de tais estudos, a avaliação do risco associado a ocorrência de galgamentos costeiros, que se caracterizam pela passagem de água sobre o coroamento de uma estrutura por ação das ondas (EurOtop, 2016), se mostra decisiva no que diz respeito a viabilidade de inserção de medidas de contenção, ou mesmo para avaliar possíveis danos ao patrimônio econômico, social e ambiental, já que estes estão associados diretamente a situações de

inundação costeira.

A modelagem computacional utilizada para os cálculos de espraiamento, galgamento e cotas de inundação, é uma alternativa viável para estimar a intensidade e a probabilidade de ocorrência de tais eventos, possibilitando a associação com as devidas consequências de sua interação com áreas de intensa ocupação ou de alto valor ambiental, estabelecendo assim, o cálculo do risco.

2. Objetivo:

Avaliar a resposta de modelos de quantificação dos eventos de galgamento costeiro em hotspots de estruturas artificiais em praias da Baixada Santista, avaliando o desempenho das formulações e modelos existentes e desenvolvidos, comparando os resultados com registros históricos. Após estabelecido o modelo mais apropriado e calibrado, utilizá-lo como parâmetro para avaliar risco para projeções de situações extremas, com longos períodos de retorno, associados ao cenário de aumento do nível médio do mar para o ano de 2100, com o intuito principal de auxiliar na tomada de decisão de obras de contenção costeira possibilitando uma adaptação planejada. Além disso, englobando também estruturas naturais, como praias e manguezais, elaborar um mapeamento de risco para essas áreas, levando em consideração valores sociais, econômicos, ambientais e culturais.

3. Métodos:

3.1 Caracterização da Agitação Marítima:

Avaliar os regimes de agitação observado, médio e de extremos para o largo da região da baixada santista, consultando dados de modelos globais, como o WAVEWATCH III (NOAA, 2017), dados in situ através de boias e ondógrafos ou mesmo dados de sensoriamento remoto através de satélites altimétricos. Estabelecer parâmetros estatísticos descritivos para o clima de ondas (histogramas, rosa de direções, séries temporais, etc) e efetuar extrapolações (100 anos) usando a amostragem por Maritime Yearly Maxima (MYM) ou Peak Over Threshold (POT), dos valores de altura significativa de onda para situações de ressaca, usando distribuições como Gumbel, Fréchet, Normal, Exponencial e Weibull (Carvalho, M.; Capitão, R., 1996).

Preferencialmente essa caracterização deverá ter um longo período de reanálise (em torno

de 60 anos) e de alta resolução temporal (de 3 em 3 horas), já que servirá de base para a

propagação das ondas para os pontos junto à costa. Além disso, a alta resolução temporal

permitirá associar melhor situações de intensa agitação com situações de marés alta.

3.2 Propagação das ondas e Integração com outras forçantes:

As ondas, ao interagirem com o fundo, sofrem alterações em sua dinâmica, sendo influenciadas por fenômenos como difração, refração, reflexão dissipação, e, por fim,

arrebentação. Elas tendem a assumir o formato da praia a medida que chegam junto à orla,

alterando sua direção original e interagindo com o fundo, portanto, a agitação avaliada no ponto ao largo deve ser transferida à pontos distintos nas praias da Baixada Santista, usando modelos de propagação de ondas como o SWAN (Booij, et al. 1999).

Esses pontos devem ser escolhidos mediante ao histórico de vulnerabilidade a galgamentos em estruturas artificiais, sendo algumas regiões notáveis nesse aspecto a Ponta da Praia (Santos), Morro do Maluf (Guarujá) e Praia da Riviera (Bertioga). E também quanto a vulnerabilidade a inundação costeira como toda a região urbanizada adjacente a linha de costa e as áreas de manguezais na Baixada Santista.

Modelos como o SWAN, XBEACH e Delft3D, permitem a integração com outras forçantes, além da agitação ao largo, como campo de ventos, correntes e nível de maré. Com isso, modelos de circulação de marés (Harari, 2006), direção e intensidade dos ventos e marés com sobrelevação, quando introduzidos, podem elevar consideravelmente a confiabilidade dos resultados. Logo, de acordo com os dados disponíveis para nossa área de estudo, e a capacidade e acurácia de cada modelo de propagação, será então decidido qual o modelo que melhor se enquadra na proposta deste trabalho.

3.3 Cálculos dos espraiamentos, galgamentos e cotas de inundação:

Para o cálculo do run-up (espraiamento), e dos respectivos níveis máximos de inundação, tem sido proposta, na literatura, várias formulações com caráter empírico, que dependem, na sua maioria, da altura significativa, do comprimento de onda, ângulo de incidência da onda, das condições de agitação marítima em águas profundas, das características do talude como declividade, rugosidade, permeabilidade, porosidade e nível freático. Algumas das formulações empíricas que podemos destacar são Hunt (1959), Holman (1986), Nielsen & Hanslow (1991), Stockdon et al. (2006), Ruggiero et al. (2001) e Teixeira (2009).

Já para a cota máxima de inundação, onde costuma-se integrar a soma da contribuição da

maré astronômica, referente ao zero hidrográfico estabelecido, a sobrelevação meteorológica (storm-surge) e, por fim, o run-up, obtendo-se a seguinte equação. C.I. =M.A.+ S.M.+ R1% (1) Onde C.I. é a Cota de Inundação, M.A. é a Maré Astronômica, S.M. é a Sobrelevação Meteorológica e o R1% é corresponde ao nível de espraiamento que é excedido somente por 1% da série de ondas associada a determinada altura significativa de onda (Sancho, et al., 2011).

Já para o cálculo do galgamento, além das formulações empíricas, EurOtop (2016) enumera também: PC-Overtopping, CLASH database, Redes Neurais, Modelos Numéricos e Físicos. Dentre as formulações empíricas, cabe-se destacar as mais recentes e completas como EurOtop (2007), Mase et al. (2013), van der Meer & Bruce (2014), Van Doorslaer et al. (2015), Altomare et al. (2016) e EurOtop (2016). Estas, muitas vezes, servem de equações governantes para modelos computacionais, e cada uma tende a abranger apropriadamente um determinado tipo de feição de praia ou estrutura.

Entretanto, cada modelo tem suas particularidades e são voltados para determinados casos, sejam de acordo com as forçantes presentes na área de estudo ou com as condições de fronteira. Portanto, através da revisão bibliográfica e da caracterização das feições das praias e estruturas que serão estudadas, se definirá quais serão os modelos mais apropriados para os cálculos de run-up e galgamentos na nossa área de interesse.

Figura1: Esquema exemplificando a ocorrência de um galgamento sobre uma estrutura de

defesa costeira (Afonso, 2011)

A grandeza pela qual os galgamentos são expressos é o caudal, que seria a vazão por metro linear de estrutura e normalmente é apresentado na forma de caudal médio galgado ou caudal crítico, q (m³/s/m). Além desse parâmetro, o volume de galgamento, V (m³), que é calculado a partir de uma relação entre o caudal médio, a duração da tempestade, e ao número de ondas de galgamento, é importante para entender a intensidade do fenômeno.

3.4 Calibragem dos modelos:

A maioria dos modelos de cálculos de espraiamento e galgamento são baseados em formulações empíricas desenvolvidas em uma determinada região, normalmente na Europa, o que prejudica a confiabilidade quanto à aplicação das mesmas em outras regiões do mundo como o Brasil, que tem suas próprias características de forçamentos marinhos e de morfologia de praias.

Por isso, a calibragem dos modelos e o possível desenvolvimento de uma formulação própria característica para as praias da Baixada Santista se tornam necessários. Para isso, a comparação entre a reanálise feita baseada no período de dados de agitação disponível com registros históricos de ocorrência de galgamentos, deve ser realizada.

Para isso, deverão ser feitas buscas a dados históricos de situação de galgamentos e inundação costeira nos hotspots em questão. Consultas a matérias em jornais, vídeos, reportagens, câmeras de monitoramento das ruas próximas à beira-mar, por exemplo, podem ser fontes para validação. Então, deverão ser feitas classificações de intensidade desses eventos, como a quantificação exata do caudal galgado e do volume de inundação através das imagens é difícil, mesmo utilizando técnicas avançadas de processamento digital de imagem, uma abordagem mais subjetiva pode ser utilizada, classificando os eventos como: nulos, baixos, moderados, intensos e catastróficos, por exemplo.

Classificando os gráficos de quantificação de galgamentos por intensidade, da mesma forma que os registros históricos, será possível estabelecer uma relação entre ambos, avaliando principalmente a acurácia do modelo. É esperado que hajam algumas divergências entre os resultados dos modelos e os registros, portanto, uma profunda análise matemática deverá ser feita para avaliarmos essa diferença e então, ajustes nos coeficientes das formulações dos modelos deverão ser realizadas para diminuir a discrepância entre os resultados do modelo e os observados nos registros.

Técnicas vanguardistas da tecnologia da informação estão se mostrando eficazes e confiáveis para tal calibração, especialmente quando se há uma longa série de dados para alimentá-los, como costuma ser o caso de séries de dados oceanográficos. Métodos de aprendizado de máquina (Domingos, 2012), como o Random Forest (Breiman, 2001), podem ser utilizados para tal, e comparados com técnicas mais robustas de ajuste polinomial.

Se espera então, após essa profunda análise matemática e computacional, que seja possível desenvolver uma própria formulação, e consequentemente um modelo computacional, que caracterize satisfatoriamente os galgamentos em regiões costeiras da Baixada Santista. Com esse modelo validado desenvolvido, será possível realizar as próximas etapas, bem como desenvolver produtos como, por exemplo, um modelo operacional de alertas de inundação costeira para a defesa civil, avaliar o potencial de defesa de obras de contenção como aterros e enrocamentos, ou mesmo, ser utilizado por empresas do setor imobiliário ou de seguros para imóveis próximos a praia.

3.5 Avaliação do risco:
Matematicamente o grau do risco pode ser definido como o produto da probabilidade de
ocorrência de um evento adverso pelo valor atribuído às suas consequências (Raposeiro &
Ferreira, 2011). Portanto, caracterizar a área em questão em virtude de seus valores sociais,
ambientais e econômicos, com o intuito de estabelecer o nível de consequências (se serão
reduzidas ou catastróficas); e associá-las a probabilidade de ocorrência de eventos em que
haja a ocorrência de caudais críticos e inundação, define os passos para o cálculo do risco de
galgamentos e inundação costeira (Fortes, et al. 2013).
Associado a isso, temos o mapeamento da vulnerabilidade costeira (Santos, et al 2015) que
leva em consideração variáveis como a geomorfologia, a declividade da praia, a elevação da
praia, a taxa de erosão/acreção da zona de praia, a taxa de elevação relativa do nível do mar,
a altura significativa de onda e a amplitude de maré média num processo de SIG. Além disso,

se estabelece pesos a cada variável de acordo com sua relevância em determinada região.

As duas abordagens podem ser associadas em um único mapa, levando em consideração o
risco de galgamentos em estruturas artificiais nos hotspots identificados, o risco de inundação
nas áreas urbanas e naturais e a vulnerabilidade física, ambiental e costeira para toda a região

da Baixada Santista.

3.6 Projeções e Cenários:
De acordo com Marengo, et al. (2017) são esperados eventos de inundação severa para os próximos anos, já que estes estão se tornando cada vez mais frequentes, com grandes impactos em áreas urbanas e modificando padrões de erosão costeira. Associado a isso, temos expectativas de um possível aumento do nível médio do mar de até 1 metro, dentro de um período de 100 anos.
Além disso, segundo Ellif, et al. (2013), o litoral de Santos costuma sofrer erosão costeira causada pelas frequentes dragagens de aprofundamento e manutenção do Porto de Santos, assim como a remoção de rochas e tubulações, e estruturas fixas na linha de costa como os canais de drenagem e o emissário submarino. Portanto, alterações nos perfis de praia, principalmente na Ponta da Praia, costumam ser constantes, e também podem ser levadas em considerações para projeções e cenários futuros.
Portanto, realizar projeções de eventuais cenários de agitação marítima (ressacas), condições  climáticas (ventos, sobrelevação meteorológica do mar e descargas fluviais), maré astronômica, alteração dos perfis de praia, galgamentos e inundação costeira, é uma forma de tentar prever possíveis danos às cidades litorâneas, com o intuito de auxiliar abordagens para tentativas de obstar e se adaptar a essas possíveis situações. Sendo assim, os mesmos modelos e mapas desenvolvidos nesse trabalho para o cenário atual, deverão ser aplicados para diferentes cenários extrapolados para o ano de 2100.

4. Dados de campo disponíveis:
Dados de campo coletados na área da Baixada Santista são abundantes, já que diversos trabalhos dentro do escopo da oceanografia física e modelagem costeira já foram realizados nesta área de estudo, assim como levantamentos realizados por empresas voltadas ao gerenciamento portuário, embora nem sempre estes dados sejam compartilhados de maneira simples. Contudo, dados de perfis de praia, batimetria e auxílio a consulta a registros históricos de ocorrência de eventos de inundação costeira e galgamentos, nos determinados hotspots, poderão ser acessados no banco de dados do Instituto Geológico da Universidade de São Paulo, através da Dra. Celia Souza, que se dispôs a auxiliar no que for necessário nesse projeto.
Hipóteses Científicas:
Os galgamentos nas estruturas de contenção costeira e bermas das praias da Baixada Santista
tem influência significativa, em termos de danos materiais e imateriais, nos cenários de
inundação, tanto no presente, como nas projeções para o futuro. Além disso, a ocorrência
destes eventos estão se tornando mais frequentes ao longo dos anos.
As cotas de inundação são fundamentais para determinação de áreas de maior
vulnerabilidade a inundação costeira, sejam elas de estrutura natural, como os manguezais
da região, como de praias sem estruturas rígidas de contenção. Portanto, influenciarão de
maneira decisiva no estabelecimento das áreas mais críticas nos mapas de risco.
O risco associado a ocorrência de galgamentos e inundação costeira em praias da Baixada
Santista deverá ser de indesejável a inaceitável (Raposeiro & Ferreira, 2011), para o cenário
projetado para o ano de 2100 para as praias em situação mais crítica.
Resultados Esperados:
Espera-se desenvolver uma metodologia que possa quantificar satisfatoriamente os caudais (vazão galgada por metro linear de estrutura, expressa em m³/s/m) em estruturas rígidas de contenção nos hotspots identificados nas praias da Baixada Santista (Santos, Guarujá e Bertioga), tanto em intensidade como em probabilidade temporal e espacial.
Além disso, através do estabelecimento de cotas de inundação para as áreas da Baixada Santista que não possuam estruturas de defesa, em especial as áreas de manguezais, utilizá-las para avaliar o risco de inundação associado a episódios de condições climáticas adversas.
Então, a partir da integração de ambos os resultados, espera-se a elaboração de um mapa de vulnerabilidade à inundação costeira e galgamentos para a toda a região da Baixada Santista, tanto para o cenário atual, como para projeções de cenários para o ano de 2100.
Contribuição do Projeto:
Espera-se que este trabalho sirva de subsídio para os tomadores de decisão, no sentido de orientá-los a respeito de possíveis medidas de adaptação ao cenário atual e previsto para a Baixada Santista. Com a alteração digital dos perfis de praias inclusos no modelo, é possível avaliar a resposta das estruturas de contenção às forçantes marítimas para eventuais novas obras de contenção, tais como aterros e quebra-mares.
É possível, também, desenvolver um modelo operacional para a avaliação do risco de galgamentos e inundação costeira para previsões de curto prazo, normalmente 7 dias podendo se estender até 15 dias, o que pode ser utilizado como ferramenta por instituições como portos e a própria defesa civil. Além de auxiliar empresas do setor imobiliário na avaliação da cotação de imóveis próximos à beira-mar, assim como empresas de seguro.
Além disso, espera-se que essa metodologia possa ser replicada, dada as devidas adaptações,
para outras regiões de risco semelhante pelo Brasil.

Nota Informativa:

Adaptação de Santos a inundações e a erosão costeira

Em 2017, foi elaborado um projeto piloto para adaptação costeira, na praia de Ponta da Praia em Santos. A estrutura projetada foi um espigão Submerso em formato de “L” com uso de Geobags preenchidos com areia da praia. A estrutura submersa a partir da mureta da orla, na altura da Rua Afonso Celso de Paula Lima, segue mar adentro com extensão de 275 metros, e o trecho paralelo ao muro, tem 240 metros de extensão.

Após 2 anos da construção do espigão submerso, ocorreu novamente inundações, várias ruas ficaram alagadas e muretas ficaram destruídas.

Para os especialistas os Geobags atenuaram a energia das ondas, mas não foi suficiente devido à conjugação de ondas com a altura da maré muito elevada, fazendo com que a propagação das ondas a atravessassem as estruturas, provocado alagamentos e destruição em equipamentos urbanos.

Sugestão

“É necessário elaborar um projeto de forma complementar ao espigão construído, para conter a erosão costeira e os alagamentos em marés extraordinárias. Uma alternativa interessante é a utilização de estruturas dissipativas na costa para contenção da erosão costeira, e promover a recuperação da praia natural recreativa.”

Marco Lyra

FONTE: BLOG MARCO LYRA