AVISO DE CHEIA EM TEMPO REAL BASEADO EM TELE-MEDIÇÃO E RADAR

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1 AVISO DE CHEIA EM TEMPO REAL BASEADO EM TELE-MEDIÇÃO E RADAR MARIA EMÍLIA VAN ZELLER DE MACEDO Mestre em Ciências Geofísicas (Meteorologia) Instituto da Água Avenida Almirante Gago Coutinho, Lisboa Telefone: ; Fax: JOÃO N. A. REIS HIPÓLITO Professor Associado do Instituto Superior Técnico Avenida Rovisco Pais Lisboa Codex Telefone: ; Fax: ; INTRODUÇÃO Desde 1988 que o Instituto da Água, INAG, se encontra envolvido, com o Instituto de Meteorologia, IM, na exploração operacional da Estação do Radar Meteorológico de Lisboa/Aeroporto. No âmbito destes trabalhos, o INAG participou, como líder da componente portuguesa, com a colaboração do IM e do Núcleo de Hidrologia do Centro de Estudos de Hidrossistemas (CEHIDRO) do Instituto Superior Técnico, em três grandes projectos europeus de Aplicação do Radar Meteorológico à Hidrologia: Applications of Weather Radar for the Alleviation of Climatic Hazard, de 1988 a 1991; EPOCH: Weather Radar and Storm and Flood Hazards, de 1991 a 1992; Storm, Flood and Radar Hydrology, de 1993 a Não referindo explicitamente os antecedentes de instalação e de estabelecimento de procedimentos de manutenção, de calibração radioeléctrica e de exploração do radar meteorológico no IM, consideram-se marcos importantes do trabalho anteriormente desenvolvido com a participação do INAG, na exploração operacional do radar em hidrologia (LOUREIRO, MACEDO, ROSA DIAS, 1988; HIPÓLITO, LOUREIRO, MACEDO, 1989), os que correspondem às seguintes etapas: desenvolvimento do TELERAD para aquisição, transmissão e processamento numérico e de imagem dos dados de radar (DIAS, SANGUINO, LEITÃO e DIAS, 1990); desenvolvimento do sistema de digitalização de registos de variáveis hidrológicas (HIPÓLITO e MACEDO, 1993); desenvolvimento de sistemas de transmissão e armazenamento de informação de tele-udómetros e de tele-limnígrafos (HIPÓLITO e HIPÓLITO, 1993). A estação de radar meteorológico de Lisboa/Aeroporto, operada pelo Instituto de Meteorologia, é baseada num sensor de canal simples, operando na banda C, com uma frequência de 5,5 GHz e uma potência de pico de 250 kw. A largura do feixe é de 1,5º e o comprimento do pulso de 2 µs e com uma frequência de repetição de 250 Hz. O ganho da antena é de 38 db. O mínimo sinal detectável é de 102dBm (HIPÓLITO, LOUREIRO e MACEDO, 1989).

2 O sensor desta estação de radar está conectado, via DVIP (integrador e digitalizador do sinal vídeo) a um sistema computacional baseado num PDP-11/44, para aquisição, processamento numérico e gráfico, e transmissão da informação radar. É ainda este sistema que opera o controlo da antena. O INAG recebe os dados através de uma linha telefónica dedicada, virtualmente em tempo real, num computador pessoal do tipo IBM onde está instalado software para o processamento interactivo dos dados relativos às imagens de radar e para o seu arquivo num servidor de ficheiros DEC-ALPHA 4000 (Figura 1). Ao servidor de ficheiros têm acesso dois outros computadores do tipo pessoal que desempenham as seguintes funções: interrogação de sensores remotos instalados no campo, calibração dos dados de radar e modelação hidrológica. Figura 1 - Sistema informático associado à previsão de cheias Nesta comunicação, que aborda especialmente a componente relativa à modelação hidrológica adoptada para a bacia hidrográfica do rio Alenquer, seguir-seá de perto, neste âmbito, o estudo apresentado à Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa conducente à tese de mestrado do primeiro autor (MACEDO, 1996). 2 - MODELAÇÃO HIDROLÓGICA Para a modelação da transformação da precipitação em escoamento existem hoje em dia várias alternativas que incluem desde os modelos hidrológicos agregados até aos modelos hidrológicos distribuídos e podem ser de simulação de eventos ou de simulação contínua. A utilização de modelos agregados de simulação de eventos não requer, em geral, grandes capacidades computacionais, quer em velocidade de execução, quer em memória RAM. Neste tipo de modelos têm grande aceitação os que se baseiam na teoria do hidrograma unitário para transformação da precipitação útil em escoamento directo. Para a sua utilização é necessário escolher o método para definição das perdas, para a obtenção da precipitação útil, e do método para a separação do escoamento de base. A descrição pormenorizada deste tipo de modelos hidrológicos e dos métodos de separação utilizáveis encontra-se amplamente divulgada nos livros de texto de Hidrologia (por exemplo, CHOW et al.,1988); e está fora do âmbito desta comunicação. 2

3 Para se manter uma velocidade elevada de execução, necessária na simulação em tempo real, e utilizando meios informáticos vulgares, pode optar-se pela formulação mais simples corrigida a posteriori por processos estocásticos. Assim, para a definição da precipitação útil, pode considera-se uma perda inicial correspondente à retenção superficial (STRTL) e uma taxa de perda constante correspondente à infiltração.(cnstl). Para a definição do escoamento de base pode considerar-se uma curva de decrescimento exponencial (com constante de decaimento K 1 = ln( RTIOR ) ) correspondente à recessão dos hidrogramas de cheia. Para a determinação do hidrograma unitário relativo a uma determinada cheia histórica procede-se à obtenção da precipitação útil e do escoamento directo e o hidrograma unitário obtém-se por desconvolução pelo método do mínimo dos quadrados (CHOW et al.,1988; MACEDO, 1996). Quando se dispõe de dados hidrológicos relativos a várias cheias históricas obtêm-se hidrogramas unitários distintos para cada uma das cheias. Por forma a utilizar-se na simulação em tempo real um único hidrograma unitário representativo da bacia em estudo, pode optar-se por conferir ao hidrograma unitário representativo uma forma simples, descritível por um número reduzido de parâmetros facilmente identificáveis, de que é exemplo o hidrograma unitário triangular instantâneo (u = u(t)) adoptado para a bacia hidrográfica do rio Alenquer (Figura 2). u u max tb = tempo de base tm = tempo de subida u max = ordenada máxima tm t tb Figura 2 - Hidrograma unitário triangular instantâneo Para a determinação dos parâmetros deste hidrograma estabeleceu-se uma analogia entre os hidrogramas em S adimensionais e as funções de distribuição de probabilidades (ambos são não negativos, não decrescentes e variam no intervalo [ 01, ]). De acordo com essa analogia, considerando o tempo como variável aleatória, obtém-se 3t + 24S 2 2 t 3 t tb = com 2 ( 24St 2 3 t 2 ) > 0 (1) t = 3 t t (2) m b umax = 2 (3) t b onde t representa o tempo médio e S t, o desvio-padrão do tempo. 3

4 O hidrograma unitário representativo obtém-se da média dos tempos médios ( t ) e da média dos desvios-padrão ( S t ). A correcção a posteriori pode ser feita com recurso a modelos autoregressivos de segunda ordem, com termo independente, do seguinte tipo e = φ e + φ e + φ + ε t 1 t 1 2 t 2 3 t (4) onde e t representa o desvio no instante t entre os caudais observado e simulado e ε t é uma variável com distribuição normal com média nula. A determinação dos coeficientes φ ι pode ser feita em bloco, para cada cheia pelo método do mínimo dos quadrados (HIPÓLITO, 1988; MACEDO, 1996). Para coeficientes representativos consideram-se os valores médios dos coeficientes de cada cheia, tendo em atenção as condições de estabilidade dos modelos autoregressivos φ1+ φ2 < 1 φ2 φ1 < 1 (5) 1< φ 2 < PREVISÃO EM TEMPO REAL Para a previsão em tempo real baseada em tele-medição e radar é necessário dispor de informação de radar meteorológico, de tele-udómetros e de tele-limnígrafos. Para a bacia hidrográfica do rio Alenquer adoptou-se a seguinte metodologia, que se pode considerar como modelo a adoptar para outras bacias: previsão da evolução do campo da precipitação baseada na extrapolação dos deslocamentos dos ecos de radar determinados por um algoritmo de optimização do coeficiente de correlação cruzada entre imagens sucessivas (RODRIGUES, 1995); monitorização da previsão da precipitação para a bacia em estudo até que o valor previsto ultrapasse um valor predeterminado que se designa por TMI (Target forecasted Maximum Intensity); se TMI é igualado ou ultrapassado, interrogação do tele-limnígrafo instalado na secção de controlo até que o nível da água comece a subir; nesse instante estabelece-se um novo nível de alerta, designado por ALCO (ALert COnditions); se ALCO está estabelecido, procede-se à interrogação das estações tele- -udométricas e dá-se início à simulação hidrológica. a emissão de avisos ocorrerá se o valor de caudal previsto, através da modelação hidrológica com recurso aos valores passados e actuais da precipitação medida pelos tele-udómetros, aos valores previstos da precipitação com base na informação de radar e aos caudais obtidos dos níveis medidos pelo telelimnígrafo, ultrapassar o limiar de inundação predeterminado; o sistema volta ao estado inicial (standby), monitorização da previsão da precipitação, quando o hidrograma de cheia regressa à fase de recessão. 4 - APLICAÇÃO À BACIA DO RIO ALENQUER A bacia do rio Alenquer situa-se dentro do horizonte do radar meteorológico de Lisboa e foi seleccionada como bacia experimental para a concepção e desenvolvimento de um sistema de aviso de cheias em tempo real. Na estação de 4

5 Ponte de Barnabé, a montante da cidade de Alenquer, a bacia tem uma área de cerca de 114 km 2, um perímetro de 54 km, uma altitude média de 156 m e um declive médio de 15 %. A densidade de drenagem é de cerca de 0,5 km -1 e o rio Alenquer, que é um tributário da margem direita do rio Tejo, tem um comprimento de 18 km e um declive médio de 0,7 %. Os solos da bacia hidrográfica são pouco permeáveis e a sua cobertura vegetal é principalmente constituída por vinhas e vegetação de folha caduca. A cidade de Alenquer, a jusante da secção de controlo, é frequentemente inundada devido ao crescimento para o leito de cheias da zona urbanizada. O limiar de inundação, cerca de 100 m 3 s -1, foi determinado com recurso ao modelo HEC-2 para análise das curvas de regolfo no trecho de rio que atravessa a cidade de Alenquer e pode ser atingido por ocorrência de precipitações com intensidades de cerca de 3 mm h -1 (valor adoptado para TMI) e com a duração de pelo menos 10 h. Para o estabelecimento do hidrograma unitário representativo que se adoptou para a simulação em tempo real analisaram-se onze cheias entre 1981 e Apresentam-se na Figura 3, os hidrogramas em S adimensionais (S ) obtidos para cada cheia e o hidrograma adimensional adoptado como respresentativo (S adopt.). 1.2 Hidrogramas em S 1.0 S ( - ) t(h) 30 Dez Abr Fev Jan Fev Nov Nov Dez Dez Fev Fev 94 S adopt Figura 3 - Hidrogramas S das cheias analisadas e S adoptado O hidrograma unitário triangular instantâneo adoptado tem os seguintes parâmetros tb = 10 h tm = 3 h umax = 0,21 h -1 (x unidade de volume da precipitação instantânea) Na definição da precipitação útil considerou-se como perda inicial (STRTL) toda a precipitação que ocorria até à subida do caudal na secção de controlo. Para a definição da taxa de perda constante (CNSTL), considerou-se que esta seria uma função exponencial negativa, com patamar inicial, do valor do caudal correspondente ao início dessa subida (QSTRT). Para as cheias analisadas obteve-se a seguinte expressão 0,97271 QSTRT CNSTL = 0, 2 + 5, 4531 e (6) A determinação de CNSTL para cada uma das cheias analisadas foi feita através do programa HEC-1 que para o efeito dispôe de uma opção de optimização. 5

6 A determinação da constante de recessão (RTIOR) foi feita por análise dos hidrogramas de cheia, traçados em escala semi-logarítmica, e conduziu ao seguinte valor RTIOR = 1,045 Para três das cheias históricas, para as quais se dispunha de dados de radar de qualidade, foi simulado o comportamento de todo o sistema, tendo-se obtido resultados muito animadores. O coeficiente de correlação entre os valores observados e as respectivas previsões, embora diminua com o avanço da previsão, como seria de esperar, varia entre 0,99 e 0,50 para previsões de caudal entre 0,5 h e 3 h. Na Figura 4 apresenta-se o resultado de uma das simulações. 03Dez Caudal (m3/s) Caudal Obs t (h) Figura 4 - Cheia de 3/12/89. Caudal observado (traço grosso) e previsto em cada instante para as três horas seguintes (traço fino) 5 - CONCLUSÃO O trabalho desenvolvido permitiu a identificação das componentes de um sistema de aviso de cheias em tempo real com informação de radar e o desenvolvimento operacional dessas componentes. Embora se tenha simulado apenas em tempo diferido o comportamento do sistema, toda a programação foi desenvolvida tendo sempre em mente a operacionalidade para funcionamento em tempo real. Os resultados obtidos no que diz respeito aos caudais previstos são encorajadores. Os parâmetros, tanto do modelo hidrológico, como da correcção autoregressiva que lhe sucede, foram determinados em termos médios e considerados constantes. No entanto, verifica-se que existe uma variabilidade importante de cheia para cheia. Assim, considera-se que em estudos futuros se deveriam considerar tais parâmetros variáveis de cheia para cheia ou ao longo do tempo e estabelecer, eventualmente com base em metodologias da Análise de Séries Temporais, critérios adequados à sua identificação. Alternativamente, dever-se-ia também analisar o comportamento de outros modelos estocásticos para correcção dos caudais em tempo real. Em determinadas bacias hidrográficas, de maiores dimensões, será ainda necessário considerar modelos hidrológicos semi-distribuídos que tenham em conta afluências significativas de sub-bacias internas e que permitam distribuir espacialmente a precipitação. 6

7 Com a entrada em funcionamento do novo radar da Cruz do Leão, em Coruche, com dados mais fiáveis e calibrados com outras tecnologias entretanto desenvolvidas, admite-se que se possam obter ainda melhores medidas da precipitação e, portanto, melhores previsões para os caudais. A metodologia desenvolvida, já com o novo radar em funcionamento, cujo horizonte cobre de modo adequado o vale do Tejo Inferior, irá ser aplicada às bacias hidrográficas do rio Trancão, do rio Grande da Pipa e às bacias da Grande Lisboa sujeitas a cheias repentinas. BIBLIOGRAFIA Chow, V. T.; Maidment, D. R.; Mays, L. W., Applied Hydrology. McGraw-Hill, Int. Ed., Singapore. Dias, J. Bioucas; Sanguino, J.; Leitão, J. N.; Dias, M. Rosa, An Operational System for Display and Analysis of Hydrometeorological Radar Data. Weather Radar Networking Seminar on COST Project 73. Kluwer Academic Publishers for the Comission of European Communities. Bruxelas. Hipólito, J. R., Introdução à Análise e Síntese de Séries Temporais. Apontamentos para a disciplina de Hidrologia Complementar e Recursos Hídricos. IST, Lisboa. Hipólito, J. R.; Loureiro, J.; Macedo, M. E., Aplicação do Radar Meteorológico à Hidrologia. IV Simpósio Luso-Brasileiro de Hidráulica e Recursos Hídricos. Lisboa. Hipólito, J. R.; Macedo, M. E., Digitalização de Registos de Variáveis Hidrológicas: Udogramas e Limnigramas. Relatório Interno da Colecção do Radar Hidrometeorológico. INAG, Lisboa. Hipólito, J. R.; Hipólito, A. F., Estação Tele-Udométrica de Olhalvo - Descrição e Interrogação. Relatório Interno da Colecção do Radar Hidrometeorológico. INAG, Lisboa. Hipólito, J. R.; Macedo, M. E.; Rodrigues, A. e Saramago, M., Real-Time Flood Warning System for the Alenquer River Basin. III International Symposium on Hydrological Applications of Weather Radar, Sao Paulo, Brasil, Agosto. Loureiro, J. M.; Macedo, M. E.; Rosa Dias, M., Utilização do Radar Meteorológico em Hidrologia. DGRN/INMG, Janeiro. Macedo, M.E., Aplicação do Radar Meteorológico na Previsão de Cheias. Tese de Mestrado em Ciências Geofísicas (Meteorologia). Faculdade de Ciências da U. de Lisboa, Setembro. Rodrigues, A., Real-time Implementation of Very Short Period Precipitation Forecasting System for the Lisbon Weather Radar. III International Symposium on Hydrological Applications of Weather Radar, São Paulo, Brasil, Agosto. Saramago, M., Adjustment of The Lisbon Weather Radar over the Alenquer Basin. III International Symposium on Hydrological Applications of Weather Radar, São Paulo, Brasil, Agosto. 7

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