Artigo apresentado no 33º Congresso Brasileiro e Engenharia Sanitária e Ambiental (ABES) – 2025.

Introdução

O Lago Erie é o mais raso dos Grandes Lagos da América do Norte e é conhecido pelas oscilações de baixa frequência, denominadas seiches, que se formam pela incidência de ventos que sopram de oeste para leste através do lago. O evento de seiche no lago se forma durante condições de tempestade quando o sistema de tempestade se move da extremidade oeste do lago, onde está localizada a cidade de Toledo (Ohio), em direção à extremidade leste, onde está localizada a cidade de Buffalo (Nova Iorque). A elevação do nível de água pela formação do seiche depende da pista de vento disponível, da persistência dos ventos mais intensos e dos níveis de água no lago antes do início do evento de seiche. Esses eventos podem causar inundações, erosão costeira, além de impossibilitar o uso do lago para fins de recreação e outras atividades.

Diversos eventos de formação de seiche foram registrados no Lago Erie ao longo da história. O mais destrutivo documentado em Buffalo ocorreu em outubro de 1844, quando um seiche de 6,7 m rompeu o muro de proteção de 4,3 m de altura e causou o afogamento de 78 pessoas. Segundo Widrig e Vorenkamp (2024), atualmente os eventos de seiche no Lago Erie ocorrem a cada 1-2 anos, porém as tempestades cada vez mais intensas, frequentes e de maior duração devido às mudanças climáticas devem criar condições favoráveis para a formação mais frequente de seiches.

Visando avaliar os riscos de inundação da orla da cidade de Buffalo, o Estudo de Resiliência Costeira de Buffalo (Buffalo Coastal Resiliency Study) foi desenvolvido a pedido da organização Buffalo Niagara Waterkeeper. O estudo tem como objetivo construir modelos de potencial de inundação ao longo da orla da cidade de Buffalo como base para o planejamento atual e futuro, além de desenvolver projetos potenciais para mitigar e se adaptar ao aumento de inundações. Diversas áreas ao longo da orla de Buffalo têm sido particularmente vulneráveis durante eventos de tempestade, tais como a região do Porto de Buffalo, afetada em diversas ocasiões com danos à infraestrutura portuária e à economia local, e o bairro de Waterfront Village, onde a sobrelevação do nível no lago chegou a alcançar áreas residenciais. A Figura 1 indica as áreas-chave de interesse para o presente estudo,
identificadas ao longo da orla da cidade e nos cursos inferiores do Rio Buffalo e do Riacho Scajaquada.

Em resumo, o Estudo de Resiliência Costeira de Buffalo consiste nas seguintes tarefas:

• Tarefa 1: Avaliação das condições existentes em áreas propensas a risco de inundação;
• Tarefa 2: Desenvolvimento de um inventário de ativos em risco;
• Tarefa 3: Resumo das preocupações com inundações e resiliência;
• Tarefa 4: Modelagem hidrodinâmica do risco de inundação;
• Tarefa 5: Avaliação dos riscos de inundação para ativos na zona de inundação; e
• Tarefa 6: Desenvolvimento de projetos potenciais para abordar o risco de inundação.

Este artigo se concentra em descrever a modelagem hidrodinâmica do risco de inundação (Tarefa 4), com foco no modelo bidimensional (2D) de alta-resolução desenvolvido para simular diferentes cenários de inundação da orla da cidade de Buffalo. As etapas do trabalho e seus resultados são apresentados na sequência.

Objetivos

O estudo tem como objetivo construir modelos de potencial de inundação ao longo da orla da cidade de Buffalo como base para o planejamento atual e futuro, além de desenvolver projetos potenciais para mitigar e se adaptar ao aumento de inundações.

Metodologia

A modelagem hidrodinâmica do risco de inundação, desenvolvida na Tarefa 4 do Estudo de Resiliência Costeira de Buffalo, compreendeu as seguintes etapas:

• Etapa 1: Análise dos dados;
• Etapa 2: Definição de cenários;
• Etapa 3: Modelagem hidrodinâmica do Lago Erie;
• Etapa 4: Modelagem de inundação da orla de Buffalo; e
• Etapa 5: Apresentação dos resultados.

As etapas listadas acima são descritas abaixo, com foco na Etapa 4 relacionada à Modelagem de inundação da Cidade de Buffalo.

ETAPA 1: Análise de Dados

Esta etapa compreendeu uma extensa revisão de dados históricos medidos e informações da literatura, incluindo:

• Medições de níveis de água do Lago Erie de 1960 até os dias atuais em diversos pontos do lago;
• Dados meteorológicos medidos e modelados, incluindo ventos, de 1960 até os dias atuais;
• Projeções de níveis de água futuros no lago considerando os efeitos das mudanças climáticas;
• Medições de vazões do Rio Buffalo, Rio Niágara e Riacho Scajaquada;
• Levantamentos batimétricos e topográficos em escalas regional e local;
• Delimitações das edificações e infraestrutura da cidade (footprints), incluindo estradas e ferrovias, pontes, viadutos e outras infraestruturas elevadas;
• Classificação do uso do solo;
• Imagens aéreas históricas e imagens de satélite;
• Estruturas hidráulicas de controle, infraestrutura de navegação e infraestrutura de proteção costeira;
• Ativos e feições naturais, como áreas costeiras vegetadas, manguezais, aterros naturais e enseadas; e
• Planos de desenvolvimento e projetos de futuros empreendimentos à beira do lago.

ETAPA 2: Definição de Cenários

Análises de Valores Extremos (AVE) e de Probabilidade Conjunta (APC) foram desenvolvidas para estimar a probabilidade estatística de eventos de inundação com base em níveis de água totais e residuais (de tempestade) medidos historicamente. Registros horários de nível de água em diversos locais ao longo da costa do Lago Erie, incluindo Buffalo, foram avaliados de 1960 a 2023. Além disso, registros de vazão do Rio Buffalo e do Riacho Scajaquada foram considerados para apoiar o risco de transbordamento dos tributários. A APC foi realizada utilizando a metodologia proposta por Heffernan & Tawn (2004).

A avaliação se concentrou entre os meses de novembro e janeiro de cada ano, que historicamente possuem o maior risco de inundação, quando o Lago Erie é propenso a sobrelevação dos seus níveis e formação de seiches durante tempestades de inverno com condições sem gelo. Projeções de mudanças climáticas também foram incorporadas, reconhecendo a tendência de aumento dos níveis de água para meados e final do século, devido aos aumentos projetados na precipitação na bacia dos Grandes Lagos.

Para desenvolver os cenários de inundação, foi necessário avaliar o Tempo de Recorrência (TR) dos níveis de água totais extremos (níveis de água totais combinam o nível estático do lago, que tipicamente varia em escala sazonal, e os níveis de tempestades, também conhecidos como nível residual, gerados por tempestades que atuam por períodos curtos). Os níveis de água horários medidos a partir de 1960 na estação Buffalo NY (ID 9063020) localizada próximo à foz do Rio Buffalo nas coordenadas geográficas [42º 52,6 N; 78º 53,4 W] foram analisados estatisticamente e os resultados da APC em termos de contornos de igual TR são apresentados na Figura 2. Na mesma figura são identificados os três eventos históricos considerados na calibração do modelo hidrodinâmico: novembro/2020, dezembro/2021 e dezembro/2022. As combinações utilizadas para compor os cenários de simulação são indicadas através dos pontos vermelhos.

As vazões do Rio Buffalo e do Riacho Scajaquada também foram consideradas para a composição dos cenários de inundação. Para isso, foram analisados estatisticamente os dados medidos através das estações fluviométricas do Serviço Geológico dos Estados Unidos (USGS) em três tributários do Rio Buffalo (Riacho Cayuga – 04215000, Riacho Buffalo – 04214500 e Riacho Cazenovia – 04215500; ver localização na Figura 3). Esses dados são fornecidos em intervalos de 15 minutos e abrangem o período de 1990 até o presente (2023). Como a localização das estações é relativamente distante a montante da área costeira de estudo, os dados foram ajustados com base no tamanho da área de drenagem, seguindo a metodologia proposta por Saharia et al. (2021). As vazões ajustadas foram então combinadas para estimar a vazão total do Rio Buffalo. Já as vazões do Riacho Scajaquada foram estimadas a partir dos registros disponíveis na estação Scajaquada entre 1990 e 1994, correlacionando-os linearmente com os dados da estação Cayuga, com foco nas vazões de pico. Ao final, foram geradas as séries de vazões do Rio Buffalo e Riacho Scajaquada para o período de 1990 a 2023. Por fim, a probabilidade conjunta entre o nível de tempestade no lago e as vazões do Rio Buffalo e do Riacho Scajaquada foi analisada e seus resultados são apresentados na Figura 4. As combinações utilizadas para compor os cenários de simulação são indicadas através dos pontos vermelhos.

Para avaliar os efeitos das mudanças climáticas nos níveis estáticos do Lago Erie, o estudo utilizou dados das últimas pesquisas científicas sobre mudanças climáticas publicadas por Seglenieks e Temgoua (2022). Os pesquisadores projetaram os níveis futuros do lago empregando dados do componente norte-americano do Experimento Coordenado de Redução de Escala Regional. O estudo examinou aumentos globais de temperatura média variando de 1,5 °C a 3,0 °C, correspondendo a diferentes Vias de Concentração Representativas (RCPs), especificamente RCP4.5 e RCP8.5. Os cenários de projeção considerados para compor os cenários de inundação são:

• Projeção 1 (intermediário): RCP4.5 2050 = aumento do nível da água em +0,24 m;
• Projeção 2 (intermediário): RCP4.5 2080 = aumento do nível da água em +0,24 m; e
• Projeção 3 (crescimento das emissões): RCP8.5 2080 = aumento do nível da água em +0,48 m.

Para todos os cenários de simulação assume-se que não há cobertura de gelo no Lago Erie, o que historicamente pode ser considerada uma condição representativa do período de maior ocorrência dos eventos de tempestade no lago.

No total, dez (10) cenários de avaliação de inundação foram desenvolvidos a partir das análises estatísticas e incorporando os efeitos das mudanças climáticas sobre os níveis de água. A Tabela 1 resume os cenários de inundação considerados no estudo.

ETAPA 3: Modelagem Hidrodinâmica do Lago Eire

Um modelo hidrodinâmico regional do Lago St. Clair e Lago Erie, incluindo o Rio Niagara e o Canal Black Rock, foi estabelecido com a finalidade de gerar as condições de contorno para o modelo hidrodinâmico de alta resolução da orla da cidade de Buffalo (Etapa 4).

O modelo regional foi estabelecido usando o módulo hidrodinâmico bidimensional (2D) do sistema MIKE 21 Flexible Mesh (FM). O módulo é baseado na solução numérica das equações 2D de Navier-Stokes, invocando as hipóteses de Boussinesq e de pressão hidrostática, através do método de volumes finitos em uma malha não estruturada. O modelo foi forçado com campos 2D de vento e pressão atmosférica em intervalos horários obtidos do Environment Canada’s High Resolution Deterministic Prediction System (HRDPS) (EC, 2023) e com níveis de água e vazões fluviais extraídos das estações do NOAA e USGS no Rio St. Clair e Rio Niagara. O domínio e malha de cálculo do modelo regional são apresentados na Figura 5. A resolução da malha variou de aproximadamente 15 m nas proximidades da cidade de Buffalo a 3,5 km nas áreas centrais do lago.

O modelo regional foi calibrado através da comparação entre os níveis de água modelados e observados em /diferentes posições (estações) no Lago Erie durante três eventos de tempestade ocorridos recentemente: novembro/2020, dezembro/2021 e dezembro/2022. Os eventos simulados e níveis de água associados são descritos na Tabela 2. A comparação entre os níveis modelados e observados na estação Buffalo NY (ID 9063020) para os três eventos é apresentada na Figura 6 e demonstra a capacidade satisfatória do modelo em representar os eventos selecionados.

Por fim, o modelo calibrado foi utilizado para simular os cenários de inundação listados na Tabela 1. Por se tratarem de cenários extremos hipotéticos, foi necessário gerar séries temporais sintéticas representativas das condições de ventos e das vazões do Rio Buffalo e Riacho Scajaquada. As condições de intensidade e direção dos ventos e os hidrogramas de cheia observados no evento de tempestade de dezembro/2022 foram utilizados como base para a geração das séries sintéticas. Uma análise de sensibilidade foi realizada para encontrar as condições de ventos capazes de gerar os níveis de tempestade desejados e os hidrogramas de vazão foram escalados de modo a fazer coincidir os picos com as vazões desejadas em cada cenário. A Figura 7 ilustra os níveis de água calculados na estação Buffalo NY (ID 9063020) para os 10 cenários e para o evento de dezembro/2022.

ETAPA 4: Modelagem de Inundação da Orla de Buffalo

ABORDAGEM DE MODELAGEM

As características de inundação devido a eventos extremos de tempestade na cidade de Buffalo foram obtidas por meio da aplicação de um modelo hidrodinâmico de alta resolução capaz de representar a hidrodinâmica costeira e a consequente inundação da orla em resposta às tempestades no Lago Erie durante eventos extremos.

O polígono preto na Figura 8 ilustra o domínio do modelo.

A aplicação do modelo de inundação ocorreu em três etapas. Primeiro, uma análise de sensibilidade foi realizada para avaliar a influência de duas técnicas de malha usualmente utilizadas para a simulação computacional de inundações urbanas denominadas building-hole (BH) e building-block (BB).

Após a seleção da técnica de malha, o modelo foi configurado para representar as condições hidrodinâmicas para os três eventos de tempestade indicados na Tabela 2. Esses eventos foram simulados como parte do processo de calibração, em que os parâmetros do modelo foram ajustados até que os resultados do modelo convergissem com observações de campo, relatos, imagens e contribuição das partes interessadas.

Finalmente, o modelo calibrado foi configurado para fornecer condições hidrodinâmicas na área de estudo para os 10 cenários extremos descritos na Tabela 1.

BASE DE DADOS

O conjunto de dados utilizado para o estabelecimento do modelo de inundação compreendeu dados topográficos e batimétricos, informações sobre as edificações e infraestrutura terrestre e costeira, e dados sobre o uso e ocupação do solo, a saber:

• Dados topográficos: Modelo Digital de Elevação (MDE) da cidade de Buffalo obtido via LIDAR com resolução de 1 m;
• Dados batimétricos: diferentes fontes de dados batimétricos cobrindo a porção leste do Lago Erie e trechos finais do Rio Buffalo e Riacho Scajaquada. A batimetria de algumas lagoas e corpos de água de pequena dimensão localizados ao longo da orla é desconhecida e, por isso, tiveram suas profundidades estimadas com base na literatura e em relatos de membros da comunidade local;
• Informações sobre as cotas de elevação dos quebra-mares longitudinais à orla contidas no projeto original das estruturas;
• Edificações: obtidas do conjunto de dados de footprints de edificações gerados por computador pela Microsoft cobrindo o Condado de Erie, NY, para o ano de 2018 (CUGIR, 2023). Alguns ajustes foram aplicados ao conjunto de dados visando sua concordância com imagens de satélite recentes na área de estudo. Dentre os ajustes realizados estão a inclusão de polígonos representando edificações atualmente existentes, ajuste de polígonos representando edificações existentes que não foram representadas adequadamente no conjunto de dados, e a exclusão de polígonos representando edificações que não existem em imagens de satélite recentes.

Além desses, outros ajustes foram realizados visando evitar a geração de pequenos elementos de cálculo que pudessem reduzir o desempenho computacional. Assim, edificações cuja distância entre si, é menor que o tamanho do elemento da malha do modelo (4 m) foram agrupadas para formar um único polígono e edificações menores que o tamanho do elemento foram excluídas do modelo. Os potenciais efeitos dessas pequenas edificações sobre o fluxo foram incluídos no modelo como um coeficiente de rugosidade. Por fim, também foram aplicados ajustes manuais dos polígonos de edificações e estradas para evitar a formação de elementos pequenos ou com ângulos agudos entre suas faces. A Figura 9 ilustra alguns exemplos dos ajustes feitos ao footprint.

• Infraestrutura viária: informações sobre ruas, estradas, rodovias e ferrovias foram obtidas em formato shapefile na seção ‘Sistemas de Informação Geográfica (SIG): Dados SIG locais e de Nova York’ do site da Universidade de Buffalo (University at Buffalo, 2023).
• Infraestrutura planejada: duas intervenções planejadas na orla da cidade de Buffalo foram consideradas nas simulações dos cenários: a restauração do Ralph C. Wilson, Jr. Centennial Park e a construção de uma estrutura de proteção rochosa ao longo da praia em Wilkeson Pointe.
• Dados de uso e ocupação de solo: obtidos da base de dados do National Land Cover Database lançado em 2019 (NLCD 2019) com resolução espacial de 30 m (MRLC, 2023). As 14 diferentes classes de uso do solo existentes na área de estudo foram agrupadas em 8 classes e coeficientes de rugosidade (Manning) foram atribuídos à cada classe para posterior uso no modelo (ver Tabela 3).

CONFIGURAÇÃO DO MODELO

O módulo hidrodinâmico 2D do sistema MIKE 21 FM foi utilizado para simular a inundação da orla da cidade de Buffalo em consequência dos eventos de tempestade no lago Erie. O modelo foi forçado pelos níveis de água no Lago Erie obtidos do modelo regional, pelas vazões do Rio Buffalo e Riacho Scajaquada, e pelos ventos.

O domínio do modelo abrange a área urbana da cidade de Buffalo próximo à costa, a porção nordeste do Lago Erie, parte do Rio Niágara a montante de Big Island e os trechos inferiores do Rio Buffalo e do Riacho Scajaquada, conforme mostrado na Figura 7. Ele se estende por aproximadamente 22 km de norte-noroeste a sul-sudeste ao longo da costa da cidade de Buffalo e aproximadamente 7 km na direção transversal à costa.

Os tamanhos dos elementos de cálculo da malha numérica variam de aproximadamente 3-5 m em áreas urbanas densas até 100 – 1000 m na porção norte do Lago Erie. Os tamanhos dos elementos em áreas urbanas são considerados suficientes para representar adequadamente as principais feições da topografia em áreas ocupadas por estradas e edificações. A Figura 10 ilustra um detalhe da malha numérica e topo-batimetria da porção sul do modelo. Todas as profundidades e elevações no modelo são referidas ao International Great Lakes Datum de 1985 (IGLD 85).

A resistência ao fluxo nos canais e planícies de inundação foi representada no modelo através do coeficiente de Manning (M), onde os maiores valores de M representam menor resistência ao fluxo. Em inundações em áreas urbanas, obstáculos sobre a superfície terrestre, como vegetação e edifícios, podem causar resistência ao fluxo. O efeito da vegetação na resistência ao fluxo depende da altura, densidade, distribuição e tipo de vegetação. Áreas densamente arborizadas podem ter um efeito significativo no fluxo, enquanto vegetação baixa e esparsa geralmente causa pouca resistência ao fluxo. Para o presente estudo, diferentes valores de M foram selecionados para diferentes tipos de vegetação com base nos dados de uso da terra.

Obstruções como pilares de pontes ou edifícios podem potencialmente causar resistência ao fluxo e consequente diminuição no valor M. É difícil selecionar valores M para representar edifícios e outras obstruções em áreas inundadas, pois há muitos fatores a serem considerados, como a densidade dos edifícios, a velocidade do fluxo e a direção do fluxo em relação ao layout das obstruções. Um valor constante M=4 foi selecionado para as áreas edificadas no modelo de inundação.

A Tabela 3 resume os valores de M selecionados para cada grupo de dados de uso do solo e feições relevantes presentes no modelo de inundação. A seleção dos valores de M requer julgamento profissional e geralmente faz parte do processo de calibração.

Algumas estruturas têm dimensões horizontais muito menores que os tamanhos dos elementos da malha computacional. Assim, seus efeitos foram modelados por uma técnica de sub-grade, onde o fluxo através da estrutura é modelado considerando os níveis de água a montante e a jusante. Dentre as estruturas resolvidas desta forma estão os paramentos laterais ao longo do Black Rock Canal nos trechos próximos à Estação de Tratamento de Efluentes e na eclusa, além dos drenos localizados ao longo do quebra-mar localizada ao sul do Broderick Park (Figura 11).

SELEÇÃO DA TÉCNICA DE GERAÇÃO DA MALHA COMPUTACIONAL

Uma análise de sensibilidade foi realizada para avaliar a influência de duas técnicas de geração de malha propostas por Schubert et al. (2008) para inundações urbanas, denominadas métodos building-hole (BH) e building-block (BB). No método building-hole as áreas internas dos polígonos que representam os edifícios são removidas da malha e, consequentemente, não são computadas durante os cálculos. No método building-block os polígonos que representam os edifícios são incluídos na malha, e as pegadas e alturas dos edifícios são “marcadas” no MDT antes da interpolação da malha. Há ainda o método building-resistance (BR), não analisado neste trabalho, cuja abordagem é semelhante ao método BB, no entanto é aplicado um valor reduzido do coeficiente de Manning (M) nos elementos da malha que representam as construções para aumentar artificialmente a resistência ao fluxo. De acordo com os autores, o método BH é o mais utilizado. A Figura 12 ilustra as diferenças entre as duas abordagens analizadas neste estudo.

Duas versões da malha do modelo para a condição existente foram criadas, uma baseada no método BH (com 924.000 elementos) e outra no método BB (com 1.117.000 elementos), e uma simulação do evento de dezembro/2022 foi executada para cada malha. A comparação entre os níveis de água computados em diferentes posições localizadas em áreas alagadas durante o evento mostrou diferenças pouco significativas. Em termos de desempenho computacional e tamanho dos arquivos do modelo, o método BH resultou em tempo de simulação e tamanho dos arquivos ligeiramente inferiores em comparação com o método BB. Por esses motivos, o método BH foi aplicado neste estudo.

Em termos de mapeamento de áreas de inundação, a abordagem BH pode ser considerada mais conservadora do que a abordagem BB, uma vez que não há fluxo através dos polígonos das edificações, que é redirecionado para áreas adjacentes. Portanto, espera-se que os níveis de água sejam ligeiramente mais altos nessas áreas, apesar de tal efeito não ter sido observado nos resultados dos testes descritos nesta seção.

CALIBRAÇÃO DO MODELO

O modelo de inundação foi validado através da comparação entre os resultados do modelo e observações de campo para os eventos de tempestade listados na Tabela 2. Além de relatos da comunidade local sobre áreas afetadas e não afetadas durante cada evento, as seguintes observações de campo estavam disponíveis:

• Níveis de água medidos na estação Buffalo NY (ID 9063020) durante os três eventos;
• Registros fotográficos de inundações em locais específicos durante os eventos de tempestade de novembro/2020 e dezembro/2021; e
• Imagens de câmeras posicionadas em locais diferentes da orla durante o evento de tempestade de dezembro/2022.

Os resultados do modelo para os eventos de tempestade selecionados mostraram-se consistentes com as observações de campo, relatos e imagens disponíveis, evidenciando a robustez do modelo para a representação de eventos extremos desta natureza. Como exemplo, a Figura 13 ilustra o registro fotográfico realizado no dia 11/12/2021 (evento nº 3 na Tabela 2) sob a ferrovia na Rua Niagara nas coordenadas geográficas [42,929691º N; 78,897824º W]. A foto mostra que a área foi inundada durante o evento, o que também é observado no resultado do modelo.

ETAPA 5: Apresentação dos Resultados

Para cada cenário da Tabela 1 foram gerados mapas de inundação em áreas de interesse para o Estudo de Resiliência. Os mapas foram utilizados para avaliar o risco de inundação e identificar as áreas em que serão desenvolvidos projetos para lidar com inundações. Também foram desenvolvidas renderizações de realidade virtual 3D de cada cenário para facilitar a consulta pública.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O modelo de inundação cujo estabelecimento é descrito na Etapa 4 da seção anterior foi utilizado para simular os 10 cenários de inundação apresentados na Tabela 1. Para cada cenário foram preparados mapas de inundação com foco em áreas de interesse para o Estudo de Resiliência Costeira de Buffalo, tais como:

• Ralph W. Centennial Park;
• Wilkenson Pointe e Times Beach Nature Preserve;
• Unity Island, Interstate-190 e Broderick Park;
• Rio Buffalo e bairro próximo (First Ward);
• Tifft Nature Preserve.

Como exemplos de resultados gerados através do modelo, as Figuras 14 e 15 ilustram os resultados dos Cenários 3 e 9 na forma de máxima extensão de inundação e profundidades no bairro que margeia o Rio Buffalo.

O Cenário 3 é representativo de um evento que ocorre uma vez a cada 100 anos, onde os níveis de água estáticos no Lago Erie iniciam em 174,53 m (IGLD85) e aumentam em 2,62 m durante o pico do evento para um nível de água extremo de 177,14 m (IGLD85). Os níveis de água são impulsionados por uma velocidade de vento sudoeste sustentado de 100,3 km/h. As vazões fluviais são baixas (19,79 m3/s para o Rio Buffalo e 1,5 m3/s para o Riacho Scajaquada). Este cenário é geralmente representativo de inundações impulsionadas principalmente por efeitos do lago, com efeitos menores a insignificantes de inundações das margens ao longo dos tributários devido a fluxos relativamente baixos.

Cenário 9 considera as mesmas condições de vento (e, consequentemente, do nível de água de tempestade) e das vazões no Rio Buffalo e Riacho Scajaquada assumidas no Cenário 3, porém incorpora +0,48 m ao nível estático do lago, resultando no nível inicial de 175,00 m (IGLD85). Conforme se observa na Figura 15, a extensão das áreas inundadas é aumentada significativamente em comparação ás do Cenário 3 (Figura 14), decorrentes do acréscimo de nível previsto em decorrência das mudanças climáticas.

Os resultados dos cenários simulados também foram exportados para um formato SIG para fins de mapeamento.

Os mapas foram utilizados para a avaliação de risco de inundação (Tarefa 5) para identificar áreas que se beneficiarão de projetos potenciais para lidar com inundações (Tarefa 6). Além disso, os resultados foram hospedados em um visualizador na web que descreve as extensões de inundação para cada cenário de simulação e foram desenvolvidas simulações 3D de cada cenário de inundação para diferentes locais na Cidade de Buffalo. A consulta pública também foi facilitada através de renderizações de realidade virtual 3D das extensões de
inundação (Figura 16).

Ao utilizar os resultados do presente estudo é importante considerar as seguintes limitações e premissas /assumidas para o estabelecimento do modelo:

• O modelo não incorpora processos pluviais associados à precipitação nas bacias hidrográficas dentro e adjacentes ao domínio do modelo. Assume-se que a inundação na orla seja atribuída principalmente à tempestade ao longo da margem do lago e à sua interação com as descargas do Rio Buffalo e do Riacho Scajaquada.
• O modelo não incorpora o extravasamento da rede coletora de esgoto. Durante eventos extremos de tempestade, a infraestrutura de coleta de esgoto pode sofrer pressão significativa, resultando em eventos de extravasamento e em inundações localizadas e incômodas. Incluir esses processos locais de inundação requer um trabalho de modelagem adicional significativo e a integração da infraestrutura de águas residuais da cidade com o modelo existente.
• Os fortes ventos incidentes durante eventos de tempestade no Lago Erie geram ondas de curto período que provocam danos à infraestrutura e a inundação de áreas próximas à linha da costa pelo efeito de espraiamento.
  Na região no bairro First Ward que margeia o Rio Buffalo a influência dessas ondas na inundação é pequena, portanto não foi considerada. A influência dessas ondas nas áreas próximas à linha da costa foi avaliada em outro estudo.
• Os efeitos das mudanças climáticas são limitados apenas às mudanças no nível da água do lago. Atualmente não é viável prever com segurança as mudanças futuras na intensidade e duração da precipitação, bem como características específicas da tempestade, como intensidade, velocidade e direção do vento. O grau de incerteza associado a potenciais mudanças nesses parâmetros não é bem compreendido e descrito. Portanto, a modelagem não considera mudanças nesses parâmetros, limitando-se a considerar os níveis futuros do lago, que podem ser projetados com maior confiabilidade sob uma variedade de RCPs do Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC).

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

A simulação de inundações em área urbanas é uma tarefa desafiadora devido à complexidade do ambiente e das variabilidades climáticas e ambientais. Ela requer informações atualizadas e em alta resolução, além de observações locais de eventos de inundação pretéritos para o desenvolvimento e validação do modelo.

No modelo aplicado à orla da cidade de Buffalo-NY foram utilizadas as mais detalhadas e atuais informações disponíveis em termos de dados topográficos e batimétricos, edificações e infraestrutura terrestre. Mesmo assim, foi necessário ajustar esses dados às informações contidas em imagens de satélite recentes, relatos da comunidade local e visita de campo de modo a representar da melhor forma possível a realidade atual da cidade. Para aplicações futuras, o modelo deve ser continuamente reavaliado e atualizado para refletir a interpretação mais atualizada, precisa e confiável da orla de Buffalo. A visita de áreas potencialmente alagáveis para verificar a condição atual da infraestrutura urbana capaz de bloquear ou redirecionar os fluxos de água, tais como estruturas de drenagem e muros, é um recurso importante para manter o modelo atualizado.

Embora os melhores esforços tenham sido feitos para calibrar o modelo para três (3) eventos de tempestade de destaque usando medições de níveis de água na costa, imagens, vídeos e amplo engajamento e feedback das partes interessadas, é recomendado incorporar mais dados de validação para reforçar a confiança no desempenho do modelo. Uma validação adicional ao nível de bairro pode identificar áreas que exigem refinamento e calibração adicionais do modelo para melhorar o desempenho em áreas onde o modelo está subestimando ou superestimando as extensões de inundação.

A opção pelo método de building hole (BH) para a geração da malha em áreas urbanas mostrou-se vantajosa no presente estudo em comparação com o método building block (BB). Porém, a escolha entre os métodos depende das características do modelo e da área em estudo, podendo o método BB ser mais vantajoso em áreas urbanas densas onde a precisão na interação da água com obstáculos sólidos é crucial. Por isso, é recomendado avaliar a eficiência dos métodos caso a caso.

Apesar de não ter sido analisado neste estudo, espera-se que o maior refinamento da malha computacional resulte em maior confiabilidade nos resultados do modelo. Porém, é necessário enfatizar que o maior refinamento da malha traz consigo a necessidade de recursos computacionais mais poderosos, que nem sempre estão disponíveis ou estão associados a custos financeiros elevados. Portanto, deve haver um compromisso entre o grau de refinamento da malha e o recurso computacional disponível. Neste sentido, a validação do modelo a partir da comparação com observações de campo de qualidade podem auxiliar na definição do refinamento necessário para alcançar resultados satisfatórios.

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Referências:

[1] – WIDRIG, R. & VORENKAMP, K. Seiche Events on Lake Erie. New York Sea Grant. 2024.
[2] – https://www.seagrant.sunysb.edu/Images/Uploads/PDFs/GreatLakes-SeicheEvents-LakeErie.pdf [acessado em 02/12/2024]
[3] – .S. Census Bureau. QuickFacts: Buffalo city, New York. 2023. https://www.census.gov [acessado em 03/12/2024]
[4] – EC. Environment Canada High Resolution Deterministic Prediction System. Government of Canada. 2023.
[5] – https://weather.gc.ca/grib/grib2_HRDPS_HR_e.html.
[6] – HEFFERNAN, J. E., & TAWN, J. A. A conditional approach for multivariate extreme values (with discussion).
[7] – Journal of the Royal Statistical Society Series B: Statistical Methodology, 66(3), 497-546. 2004.
[8] – NATIONAL GEOPHYSICAL DATA CENTER. Bathymetry of Lake Erie and Lake St. Clair. National
[9] – Geophysical Data Center, NOAA. doi:10.7289/V5KS6PHK [acessado em 12/04/2023]. 1999.
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Escrito por: 
Rodrigo Campos de Andrade(1)
Engenheiro Civil pela Universidade Federal de Santa Catarina. Mestre e Doutor em Engenharia Oceânica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro. Consultor na HydroInfo.
Felipe Bublitz Bier(2)
Engenheiro Sanitarista e Ambiental pela Universidade Federal de Santa Catarina. Mestre em Engenharia Ambiental pela Universidade Federal de Santa Catarina. Consultor na HydroInfo.
Ana Flávia Caetano Bastos(3)
Oceanógrafa pela Universidade do Vale do Itajaí. Mestre em Oceanografia Física pela Universidade Federal de Santa Catarina. Consultora na HydroInfo.
Renan Braga Ribeiro(4)
Biólogo pela Universidade de Santa Cecília. Mestre e Doutor em Ciência Ambiental pela Universidade de São Paulo. Modelador Sênior de Hidrodinâmica e Qualidade de Água na DHI.
Danker Kolijn(5)
Engenheiro Civil pela Queen's University (Canadá). Mestre em Engenharia Costeira pela Delft University of Technology. Diretor de Projetos da América-Pacífico na DHI.