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OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DA BACIA HIDROGRÁFICA EXPERIMENTAL DO RIACHO GUARAÍRA: DESAFIOS E DIFICULDADES ENFRENTADOS AO LONGO DE 12 ANOS Cristiano das Neves Almeida 1*, Luís Romero Barbosa2, Emerson da Silva Freitas3 & Alain Marie Bernard Passerat de Silans4 Resumo – Este artigo apresenta alguns pontos sobre operação e manutenção da bacia hidrográfica experimental do riacho Guaraíra, a partir da experiência de 12 anos de seu monitoramento hidroclimatológico. A bacia hidrográfica experimental do riacho Guaraíra, localizada na região litorânea sul do Estado da Paraíba, foi instalada em 2003, a partir do empenho da Rede de Hidrologia do Semiárido (REHISA). Ela vem sendo mantida em operação até os dias atuais, possibilitando a realização de diversos estudos científicos. O principal objetivo deste artigo é apresentar as experiências positivas e negativas do grupo de Recursos Hídricos da Universidade Federal da Paraíba no condução desse programa de monitoramento. Essas experiências podem servir como base para a operação e manutenção de outras bacias experimentais. Palavras-Chave – monitoramento, bacia experimental, dados hidrológicos. OPERATION AND MAINTENANCE OF THE RIACHO GUARAÍRA EXPERIMENTAL BASIN: CHALLENGES AND DIFFICULTIES FACING DURING THE LAST 12 YEARS Abstract – This paper presents some issues about the operating and maintenance of Riacho do Guaraíra experimental basin, based on 12 years of experience on the hydroclimatic monitoring. The Riacho do Guaraíra experimental basin, located in the south coastal region of the Paraíba state, was installed in 2003, from the commitment of the Semiarid Hydrology Network (REHISA, in Portuguese). It has been kept in operation until the present day, enabling the performance of several scientific studies. The aim of this paper is to present the positive and negative experiences of the Water Resources Group of the Federal University of Paraiba in conducting this monitoring program. These experiences can be used as a basis for the operation and maintenance of other experimental basins. Keywords – monitoring, experimental basin, dados hidrológicos. INTRODUÇÃO A bacia hidrográfica foi definida pela Política Nacional de Recursos Hídricos (Lei Federal núm. 9.433 de 1997) como a unidade de gestão e planejamento de recursos hídricos. É nela que se desenvolvem os processos hidrológicos que resultam na vazão de seu exutório. Neste contexto, as bacias experimentais, devido às suas dimensões, são verdadeiros laboratórios para investigação das diversas etapas do ciclo hidrológico (precipitação, infiltração, armazenamento d'água, geração do escoamento superficial, etc.). De acordo com Toebes & Ouryvaev (1970) bacias experimentais são 1 Prof. Dr. Adjunto da Universidade Federal da Paraíba. Email: [email protected] Mestre em Recursos Hídricos pela Universidade Federal da Paraíba. Email: [email protected] 3 Graduando em Engenharia Civil pela Universidade Federal da Paraíba. Email: [email protected] 4 Prof. Dr. Aposentado da Universidade Federal da Paraíba. Email: [email protected] 2 XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1 áreas relativamente homogêneas do ponto de vista de solo e vegetação, e que apresentam características físicas uniformes. Ainda de acordo com esses pesquisadores, as pesquisas em bacias experimentais tratam normalmente do estudo comparativo, sendo portanto necessária operação de bacias hidrográficas em grupo de duas ou mais bacias. O estudo em rede de bacias hidrográficas experimentais é uma forma sistemática de se realizar comparação entre sistemas com características hidroclimáticas distintas ou semelhantes. Na Europa, por exemplo, há a rede ERB (Euromediterranean Network of Experimental and Representative Basins) que aglutina 22 países, que desenvolvem estudos em bacias experimentais, tanto na Europa como fora dela. A rede ERB realiza encontro bianuais para troca de experiência sobre esta temática (Schumann et al., 2010), o que é muito produtivo para manutenção de redes de bacias experimentais. Já no Brasil, a iniciativa mais recente, e talvez mais duradoura, para o estudo de processos hidrológicos em bacias experimentais foi conduzido por professores, pesquisados e estudantes no Nordeste Brasil, quando em maio de 2001 criaram a REHISA - Rede de Hidrologia do Semiárido (IBESA, 2004). A REHISA naquele ano foi formada por grupos pesquisas em recursos hídricos das seguintes universidades: UFBA, UFPE, UFRPE, UFPB, UFCG, UFRN, UFAL, UFC; e pela FUNCEME (Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos). Essa rede, através do projeto de pesquisa IBESA (Instalação de Bacias Experimentais no Semi-árido), instalou sete redes de monitoramento hidroclimatológico em bacias experimentais na região semi-árida. A única exceção foi a bacia experimental do riacho Guaraíra, que foi instalada na região de clima tropical chuvoso. O objetivo principal da REHISA foi instalar essas bacias experimentais, para avaliar o balanço hídrico em diferentes escala de tempo e espaço, empregando para tanto modelos hidrológicos distribuídos, e técnicas experimentais e de avaliação da incerteza (IBESA, 2004). No caso da bacia experimental do riacho Guaraíra, o monitoramento hidroclimatológico iniciado em 2003 continua até os dias atuais. A rede de equipamentos de monitoramento sofreu pouquíssimas modificações ao longo desses ano. O monitoramento realizado nessa bacia experimental tem sido importante para o desenvolvimento de estudos de conclusão de cursos de graduação e de mestrado. Alguns dos estudos desenvolvidos nos últimos anos são: análise de suas condições hidromorfológicas (Silva & Almeida, 2015); análise das relações entre precipitação, umidade do solo e vazão (Barbosa, 2015); comparação das precipitações observadas em campo com o sensor TRMM (Barbosa et al., 2015); análise das característica da precipitação em escala subdiária e sub-horária (Coutinho et al., 2014); caracterização hidrodinâmica de seus solos (Santos et al., 2012); estuda da desagregação da precipitação diária (Cavalcante & Silans, 2012). Há ainda um conjunto de trabalho em andamento e não publicados, a saber: calibração das sondas de umidade do solo com dados de campo; análise espaço-temporal dos dados de umidade do solo; estimativa da precipitação com base na umidade do solo; além de outras análise dos dados de precipitação. Neste contexto, o presente artigo objetiva apresentar e compartilhar as experiências e desafios na operação e manutenção da bacia hidrográfica experimental do riacho Guaraíra, a fim de facilitar a manutenção, evitar perdas de dados com possíveis problemas que venham a ocorrer, e propiciar a coleta de dados com qualidade. Para tanto, são apresentados os métodos aplicados por diferentes pesquisadores em diferentes períodos, desde sua instalação em 2003 até os dias atuais. Apresenta-se ainda um panorama geral da situação dos dados coletados ao longo de 12 anos de operação. Desta forma, este artigo não segue o padrão dos artigos científicos, mas objetiva trazer contribuições para a área de hidrologia de base. MATERIAIS E MÉTODOS Área de estudo XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2 Este artigo trata da bacia hidrográfica experimental do riacho Guaraíra (BERG), pertencente à Rede de Hidrologia do Semiárido (REHISA). Sua área de drenagem é de 5,84 km² e é composta por três afluentes perenes. Localiza-se entre os latitudes 9.190.400 m e 9.195.200 m (Sul) e as longitudes 274.700 m e 276.800 m (Oeste) (Erro! Fonte de referência não encontrada.a). Essa bacia experimental encontra-se localizada na bacia hidrográfica representativa do rio Gramame, e ambas estão localizadas na região litorânea sul do Estado da Paraíba. Figura 1 - Localização da bacia hidrográfica experimental do riacho Guaraíra (a) e atual rede de monitoramento (b) Do ponto de vista climatológico, a quadra chuvosa da bacia experimental vai de abril a julho, com uma precipitação anual média de aproximadamente 1.700 mm. Segundo a classificação de Köppen, a região de estudo localiza-se em clima tropical chuvoso. A evaporação, medida em tanque classe A na estação climatológica de Marés, apresenta um valor médio de 1.300 mm/ano. Rede de monitoramento Em 2003, a partir do suporte financeiro da FINEP dado ao projeto de pesquisa IBESA, diversas variáveis do ciclo hidrológico da bacia hidrográfica experimental vêm sendo monitoradas. A rede de monitoramento hidroclimatológico, apresentada na Figura 1a, é composta atualmente de: Estações Pluviográficas - Há 4 estações desse tipo em funcionamento, compostas por um sensor de básculas com resolução de 0,254 mm (modelo TB4) e uma sonda TDR (Time Domain Reflectometry) (modelo CS 616), utilizada para medir o conteúdo volumétrico de água no solo. Os dados precipitação medidos são armazenados de forma instantânea a cada minuto de sua ocorrência e acumulados a cada 6 horas, enquanto que os de umidade do solo são armazenados a cada hora. As sondas TDRs foram inseridas verticalmente no solo, representando assim o conteúdo volumétrica de água no solo na camada superior de 30 cm; Estação Climatológica - Há 1 estação em funcionamento, composta dos mesmos sensores das estações pluviográficas, além de, sensores de temperatura e umidade do ar, radiação solar, temperatura do solo (em 3 profundidades), velocidade e direção do vento, pressão barométrica. Porém, os sensores de pressão barométrica, temperatura XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3 do ar e radiação solar estão com problemas desde 2013. No caso dessa estação, a precipitação é armazenada instantaneamente, já todas as outras variáveis são armazenadas a cada 15 minutos; Estações Fluviográficas - Há 3 estações em funcionamento, compostas por um sensor de pressão, a partir do qual se mede o nível d'água nos riachos monitorados. Essas informações são armazenadas a cada 15 minutos. Todas as estações pluviográficas e climatológica são equipadas com sensores da Campell Scientific, e são compostas também por datalogger, abrigo, bateria e painel solar. As estações fluviográficas compostas por sensores da Ampeq têm quase essa mesma configuração, com exceção do painel solar, que não é necessário. Situação histórica do monitoramento e dos dados coletados Nos primeiros meses de 2015 todos os dados coletados desde o início do projeto foram analisados, a fim de verificar quais os períodos com dados, sem dados, assim como a qualidade dos dados existentes. As tabelas a seguir mostram a situação dos dados de precipitação e umidade do solo. Tabela 1 - Análise quali-quantitiva dos dados de precipitação e umidade do solo das estações pluviográficas. Da tabela anterior, pode-se ver que, embora todo um esforço tenha sido feito para manter o monitoramento dessa bacia experimental, há uma grande quantidade de anos sem dados. Pode-se ver também que no ano de 2012 o monitoramento foi praticamente descontinuado, sendo quase impossível recuperar, por exemplo, os dados de precipitação nas escalas sub-diária e sub-horária. Em 2013, novos esforços foram feitos para recuperar a rede de monitoramento para desenvolvimento de duas dissertações de mestrado. Mesmo assim, os anos de 2013 e 2014 apresentam falhas na maioria das estações pluviográficas, com exceção da estação 04. A figura apresentada a seguir mostram o comportamento da precipitação acumulada para cada estações pluviográfica, para os anos de 2004 e 2007. Pode-se ver nesta figura que o comportamento temporal da precipitação é semelhante nas estações. No ano de 2004 a partir da segunda quinzena de abril, pode-se ver que as curvas das estações 1,2 e 3 têm comportamento semelhante, há uma defasagem na precipitação acumulada da estação 1, por conta do período de falhas indicado nessa figura. Para o ano de 2007 (lado direito da figura seguinte) pode-se ver também o comportamento semelhante das 4 curvas de precipitação acumulada, com uma defasagem maior para os dados da estação 4, por conta do período com falhas também apresentado na figura 2, gráfico do lado direito. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4 Apesar de não apresentados os gráficos dos demais anos para o período de monitoramento, esse comportamento semelhante é notado entre todas as estações, em todos os anos. Figura 2 - Gráficos com precipitação acumulada (anos 2004 e 2007) utilizados para comporação da precipitação entre estações de monitoramento Desta forma, sabendo-se que o comportamento espacial da precipitação não varia muito nesta bacia experimental, pode-se definir então uma série de precipitação de 10 anos, quando se consideram as estações 1 (anos 2004, 2005, 2006, 2007 e 2008), 2 (anos 2009, 2010 e 2011) e 4 (ano 2013 e 2014). Com relação à umidade do solo, a série atual é de 9 anos, quando se consideram as estações 1 (anos 2004, 2005, 2006, 2007 e 2008), 2 (anos 2009 e 2010) e 4 (anos 2013 e 2014). Com relação aos dados de nível das 3 seções fluviográficas, a situação da rede de monitoramento é: A primeira estação instalada em 2003 foi operada até 2005, e apresenta níveis com relativa qualidade, pois poucas medições de vazão foram realizadas. Além disso, a seção transversal modificou muito ano a ano, devido aos processos de sedimentação e erosão, assim dificilmente esses dados podem resultar numa série de vazão confiável; A partir 2013, devido ao trabalho de dissertação de Barbosa (2015), que objetivava analisar as relações entre vazão, precipitação e umidade do solo, foram instaladas 3 novas seções fluviográficas. Nos primeiros testes, as placas dos dataloggers queimaram, devido à forma como eles foram abrigados das precipitações e umidade do ar. Posteriormente, a partir de 2014 um novo obrigo para os dataloggers foi desenvolvido, e desde então os dados são medidos continuamente. No ano de 2013 e 2014 foram realizadas medições de vazão nas 3 seções, de forma que todas 3 seções contam com curvas-chave. Com relação à estação climatológica, os dados coletados até então foram analisados para verificar apenas a extensão da série de dados. Nessa análise inicial, verificou-se que não há um só ano com a série completa. Isso deve-se principalmente à quantidade de dados armazenados no datalogger e ao passo de tempo de armazenamento (15 minutos), o que faz com que a memória do datalogger seja preenchida a rapidamente. Então, os dados mais antigos armazenados no datalogger são perdidos, pois os dados mais novos são escritos no início da memória, ou seja, por cima dos dados mais antigos. Operação & Manutenção A operação e manutenção da bacia experimental do riacho Guaraíra vêm sendo melhorada ao longo do tempo, pois algumas práticas adotadas no início do projeto foram descartadas, enquanto XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5 que outras foram adotadas por se mostrarem mais adequadas. Algumas dessas técnicas e métodos são apresentadas a seguir para operação das estações de monitoramento em campo: A adoção de uma caderneta de campo - Esta prática adotada no início do projeto (em 2003) permanece até hoje. A caderneta de campo é item essencial das visitas de campo e é nela que são anotadas as datas e hora de alguma medição, de recuperação de dados das estações de monitoramento, se os dados foram recuperados ou não, problemas encontrados nas estações durante a visita, e o que foi feito para solucionar o problema. Essas anotações são importantes no momento da importação dos dados para o banco de dados e na análise desses dados; A inclusão de um identificador para cada estação no arquivo do datalogger é importante, pois assim um arquivo não poderá ser confundido com outro, pois através desse identificador identifica-se a que estação o arquivo pertence. No caso da bacia experimental do riacho Guaraíra, o identificador é o segundo número do array 10 das estações pluviográficas, e o primeiro número do arquivo das estações fluviográficas; No momento da coleta dos arquivos dos dataloggers em campo, deve-se colocar o nome da estação e a data de coleta no nome do arquivo, por exemplo: “EstPluv01(fev.19.2015).dat”. Nesta caso, sabe-se que o arquivo é da estação pluviográfica 01 e que foi coletado no dia 19 de fevereiro de 2015. Desta forma, não se faz necessário abrir o arquivo para saber qual a data de coleta do arquivo, e não há possibilidade de misturar os arquivos de uma estação com outra, nem de uma data com outra. Anteriormente, os arquivos eram coletados e não havia um padrão para nomeação dos arquivos, o que acarretou na superposição de arquivos e, consequente, perda de dados; Visitas às estações com frequência de 15 a 20 dias - Esse procedimento foi adotado desde o início do projeto em 2003. Embora em alguns períodos as visitas não tenham ocorrido com essa frequência devido à falta de recursos, elas são importantes para a obtenção de uma série de dados sem falhas. Nas visitas às estações há procedimentos que são realizados rotineiramente, primeiro é verificada a situação do funil do pluviógrafo para ver se ele está entupido. Em seguida, é feita a conexão do notebook ao datalogger e recuperados os dados da estação. O arquivo recuperado é então aberto e verificadas as últimas linhas registradas, para ver se os dados atuais condizem com a data atual, é ainda verificada a voltagem da bateria na noite e madrugada anteriores, a fim de verificar se ela não está abaixo de 12 Volts. Por fim, são feitas anotações na caderneta de campo. Já no laboratório, os arquivos coletados originalmente nas estações devem ser mantidos da forma como foram recuperados, qualquer modificação ou correção de dados é realizada noutro arquivo, de forma a manter sempre os arquivos originais. Desde 2013, os arquivos originais coletados em campo são armazenados num diretório do Dropbox, ordenados em diretórios por ano, e depois por data de visita, de forma a facilitar a recuperação de dados de uma determinada visita de campo. Uma ou duas vezes por ano todos os dados coletados até então são inseridos num banco de dados criado apenas para armazenar esses dados. Após a inserção dos dados no banco de dados, é gerado um arquivo de backup do banco de dados, e este arquivo é também guardado num diretório do Dropbox. Para se trabalhar posteriormente com os dados da bacia experimental, são utilizados os dados armazenados no banco de dados, pois os dados são recuperados de maneira simples através de linguagem SQL, própria para realização de consultas em bancos de dados. Desta forma, vem sendo garantida a integridade dos dados coletados em campo. O grupo de Recursos Hídricos da UFPB tem trabalhado com o sistema gerenciador de banco de dados PostgreSQL, que é livre. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6 Desafios No que diz respeito ao desafios sobre o trabalho com bacias experimentais, os seguintes são elencados: 1. Manutenção da rede de monitoramento da bacia experimental do riacho Guaraíra por pelo menos mais uma década - Além de estender a série histórica de dados, procurarse-á realizar o monitoramento de todas as estações concomitantemente; 2. Inserção da bacia experimental do riacho Guaraíra numa rede internacional de bacias experimentais - A associação a uma rede internacional poderá facilitar a captação de recursos financeiros para sua manutenção, além de permitir o desenvolvimento de pesquisas com parceiros internacionais, principalmente no que diz respeito à comparação dos fenômenos entre bacias; 3. Reposição de parte dos equipamentos de monitoramento - Como boa parte das estações de monitoramento atuais já têm mais de 10 anos, procurar-se-á substituir essas estações para a continuação do monitoramento. Essa reposição só não será necessária para as 3 estações fluviográficas, que foram instaladas recentemente; 4. Continuação com o desenvolvimento e testes de equipamentos de monitoramento Através da parceria com a empresa Ampeq, o teste das sondas de medição de nível continuará. Serão feitos também testes num pluviógrafo recém-desenvolvido, que utiliza a medição do nível d'água para determinar a precipitação; Porém, talvez o maior desafio do trabalho com bacias experimentais será a reativação da Rede de Hidrologia do Semiárido (REHISA), para dar continuidade dos trabalhos de monitoramento hidroclimatológico em bacias experimentais em localidades diferentes, o que permitirá o desenvolvimento de pesquisas conjuntas com outros grupos de pesquisa do Brasil. CONCLUSÕES Ao longo destes 12 anos de operação e manutenção da bacia hidrográfica experimental do riacho Guaraíra algumas conclusões sobre seu monitoramento podem ser elencadas: 1. Apesar de todo esforço para obtenção de séries contínuas de dados hidrológicos com qualidade, é evidente que esta é uma tarefa difícil. Porém, como são monitoradas as mesmas variáveis em diferentes pontos da bacia experimental, pode-se admitir (para determinadas variáveis) que a substituição dos dados não cause prejuízos aos trabalhos de pesquisa; 2. As visitas à bacia experimental realizadas com frequência de 15 a 20 dias são um ponto fundamental para o sucesso do monitoramento hidroclimatológico, um vez que desta forma, alguns problemas podem ser detectados e rapidamente resolvidos, evitando assim a perda de dados ou geração dados incorretos; 3. Apesar desta bacia experimental não contar com o monitoramento remoto de suas estações, é pensamento comum dos pesquisadores que esse tipo de solução tecnológica não será utilizada. O monitoramento remoto não permitiria, por exemplo, indicar se não está chovendo ou se o funil do pluviógrafo está entupido, como já ocorrido algumas vezes, não permitiria também a detecção de problemas só vistos nas visitas de campo; 4. É necessário o mínimo de recursos financeiros para a continuidade do monitoramento hidroclimatológico. Porém, o sucesso do monitoramento é mais dependente do engajamento dos professores e alunos, o que muitas vezes independe de fontes de financiamento; XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7 5. É necessária a reativação da Rede de Hidrologia do Semiárido (REHISA) ou criação de uma nova rede, de abrangência nacional, para as informações em passo de tempo sub-horário e nessa resolução especial possam ser comparadas através de estudos. A partir de uma rede consolidada é possível avançar no melhor entendimento do ciclo hidrológico das diferentes regiões do Brasil; 6. Uma bacia hidrográfica experimental com esses tipos de equipamentos de monitoramento é importante para a formação técnica e científica dos alunos de graduação e mestrado, pois os permitem o conhecimento, operação e manutenção de equipamentos dessa natureza. AGRADECIMENTOS Os autores deste artigo agradecem ao CNPq (pelas bolsas de produtividade em pesquisa, mestrado, iniciação científica e apoio técnico, e pelos recursos de editais universais), à FINEP, pelos recursos financeiros cedidos aos projetos IBESA e BEER, que possibilitaram a aquisição dos equipamentos de monitoramento. REFERÊNCIAS BARBOSA, L. R. ; FREITAS, E. S. ; ALMEIDA, C. N. ; MELO, D. C. D. . Rainfall in an experimental watershed: a comparision between observed and TRMM 3B42V7 dataset. In: 36th International Symposium on Remote Sensing of Environment, 2015, Berlim. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2015. v. XL7/W. p. 1447-1452. BARBOSA, L. R. Relações precipitação-umidade do solo-vazão de eventos sub-diários em bacias experimentais do NE brasileiro. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil e Ambiental) Universidade Federal da Paraíba 137 p., 2015. CAVALCANTE, A. L., SILANS, A. M. B. P. 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