ANÁLISE DE SÉRIE HIDROLÓGICA DE PRECIPITAÇÃO NO SUL DO RIO GRANDE DO SUL PARA APLICAÇÃO NA GESTÃO E MONITORAMENTO DE RECURSOS HÍDRICOS

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1 ANÁLISE DE SÉRIE HIDROLÓGICA DE PRECIPITAÇÃO NO SUL DO RIO GRANDE DO SUL PARA APLICAÇÃO NA GESTÃO E MONITORAMENTO DE RECURSOS HÍDRICOS Tamara Leitzke Caldeira 1 Mélory Maria Fernandes de Araújo¹ Samuel Beskow² 1 Discente do Curso de Engenharia Hídrica, Universidade Federal de Pelotas (UFPel) Avenida Ildelfonso Simões Lopes, 2791 Pelotas (RS), Brasil CEP tamaracaldeira.eh@gmail.com ² Docente do Curso de Engenharia Hídrica, Universidade Federal de Pelotas (UFPel) Avenida Ildelfonso Simões Lopes, 2791 Pelotas (RS), Brasil CEP samuel.beskow@ufpel.edu.br Abstract: The hydrology is based in to the knowledge and interpretation of the behavior of a watershed, thereby providing the planning and management of natural resources and studies of regional interest. The record of rainfall data is essential to understand the behavior of a watershed, and its absence through time implies erroneous and biased statistical analyses. The rainfall station of Cerrito Granja (Rio Grande/RS) has recorded records since August 1964 and, until December 2006, we identified five monthly periods and four annual periods in the observations with gaps. Methods for gap filling and consistency analysis were applied so that the Granja Cerrito time series can be used for water resources management in the study region. Periods with missing data were filled by the results estimated by the method of regional weights based on linear regressions, which involves information of more rainfall stations. The double mass curve method was also used in this study in order to validate the complete rainfall time series, since it is essential to verify the data consistency. Since the points of the graph generated by the Double Mass Curve method were around a straight line, the rainfall time series of Granja Cerrito station was considered as consistent and suitable for use in studies associated to hydrology, hydro-meteorology, hydraulics, irrigation, among others. Resumo: A hidrologia é embasada no conhecimento e interpretação da conduta de uma bacia hidrográfica, propiciando assim o planejamento e a gestão dos recursos naturais e estudos de interesse regional. O registro de dados de precipitação é essencial ao entendimento do comportamento de uma bacia hidrográfica, sendo que a sua ausência em períodos implica em análises estatísticas errôneas e tendenciosas. O posto pluviométrico Granja Cerrito (Rio Grande/RS) registra dados desde agosto de 1964 e, até dezembro de 2006, identificaram-se cinco períodos mensais e quatro períodos anuais com falha nas observações de dados. Para que a série histórica de dados da estação Granja Cerrito possa ser aplicada à gestão e ao monitoramento dos recursos hídricos da região em questão, foi necessário aplicar metodologias para preenchimento de falhas e analisar a consistência dos dados da série preenchida. Os períodos com ausência de dados foram preenchidos através dos resultados observados pelo método da ponderação regional com base em regressões lineares, que agrupa maiores informações. O método da Curva Dupla Massa também foi empregado neste estudo para verificar a série preenchida, pois é essencial analisar a consistência dos dados obtidos. Como os pontos do gráfico gerado pelo Método Dupla Massa alinharam-se em uma reta, a série histórica do posto Granja Cerrito mostrou-se consistente e apta a ser utilizada em estudos de hidrologia, hidrometeorologia, hidráulica, irrigação, entre outras.

2 1- Introdução O ciclo hidrológico representa a interdependência, o movimento e a troca da água nos seus diferentes compartimentos. Este ciclo é formado por diversas componentes, sendo a precipitação, provavelmente, a componente que apresenta maior variabilidade no espaço (Collischonn, 2006). Chuva, neblina, granizo, saraiva, orvalho, geada e neve são formas de precipitação diferenciadas pelo estado em que a água se encontra. Para estudos hidrológicos o tipo de precipitação mais importante é a chuva, que pode ser classificada em convectiva, orográfica ou frontal. Chuvas convectivas caracterizam-se pela grande intensidade e curta duração e pela capacidade de inundar pequenas bacias hidrográficas, as chuvas orográficas ocorrem em regiões montanhosas e têm baixa intensidade e grande duração, já as chuvas frontais são de grande duração e de intensidade mediana, podendo ocasionar inundações em grandes bacias hidrográficas (Bertoni & Tucci, 2002). A mensuração de precipitação é essencial para um melhor entendimento do ciclo hidrológico, para o manejo adequado de uma bacia hidrográfica, no controle do uso dos recursos naturais, para o abastecimento urbano, para embasar projetos de hidráulica e irrigação. A 2ª edição do Inventário das estações pluviométricas, publicada em 2009 pela Agência Nacional de Águas (ANA), listou estações hidrológicas no Brasil, porém muitas dessas estações já estão desativadas. Grande parte dos postos brasileiros de registros de dados hidrológicos e hidrometeorológicos estão sob responsabilidade da ANA e do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET) (Naghettini & Pinto, 2007). O banco de dados hidrológicos Hidroweb Serviço de Informações Hidrológicas, mantido pela ANA, disponibiliza gratuitamente através da URL séries históricas de dados de precipitação, vazão, cota, perfil transversal, sedimento, clima. Segundo Bertoni & Tucci (2002), os dados de precipitação podem ser registrados de forma pontual, com a utilização de pluviômetros ou pluviógrafos, ou de forma espacial, através de radares meteorológicos. De acordo com Pinto et al (2008) as estações pluviométricas são as mais utilizadas no Brasil, por serem simples e agregarem um reduzido custo financeiro. Um posto pluviométrico objetiva quantificar a altura total de chuva acumulada, em um dado intervalo de tempo, em um ponto discreto de uma bacia hidrográfica, enfatizando a importância de se contemplar a variabilidade desse fenômeno atmosférico em mais pontos de uma mesma bacia. A ausência de registro de dados ao longo de uma série hidrológica de precipitação ocorre devido a problemas no aparelho de coleta ou então devido a erros grosseiros na observação dos dados, comprometendo assim a continuidade das informações e impossibilitando a aplicação de tratamentos estatísticos na série (Oliveira et al, 2010). Para Bertoni & Tucci (2002), as falhas mais comuns na observação de dados são o preenchimento incorreto do valor na caderneta de campo; erros associados à quantificação do número de provetas quando a precipitação é elevada; estimativa de valores quando o observador está ausente do local; obstrução por vegetação ou outros próximo ao ponto de observação; danificação do aparelho; e problemas no registrador gráfico, no caso de pluviógrafo. É habitual deparar-se com séries hidrológicas caracterizadas por ausência de dados, o que pode acarretar em análises errôneas e tendenciosas. Uma vez que se deseja aplicar tratamentos estatísticos em séries de precipitação, deve-se analisar os dados e identificar, caso existam, as falhas de informação durante o período de interesse. Com os períodos falhos identificados inicia-se o preenchimento das lacunas existentes, que, segundo Bertoni & Tucci (2002), procede-se em séries anuais, mensais ou, no máximo, séries quinzenais. A análise de consistência é a etapa posterior ao preenchimento das falhas e se caracteriza por verificar o grau de homogeneidade entre dados da estação de interesse e das estações vizinhas. O presente trabalho tem por objetivo a análise dos dados de precipitação da estação pluviométrica Granja Cerrito (Rio Grande/RS) de forma a proceder ao preenchimento de falhas e a análise de consistência dos dados e obter uma série hidrológica de precipitação apta a ser explorada em projetos e no gerenciamento dos recursos hídricos da região em questão. 2- Dados e metodologia A estação pluviométrica Granja Cerrito localiza-se no município de Rio Grande, no estado do Rio Grande do Sul. Esta estação, que está sob responsabilidade da ANA e operação por parte da Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais (CPRM), registra dados de precipitação desde agosto de 1964.

3 As séries históricas de todos os postos pluviométricos utilizados neste estudo foram obtidas no banco de dados Hidroweb Sistema de Informações Hidrológicas disponibilizado pela ANA. Registros de precipitação da estação Granja Cerrito, assim como das demais estações, foram obtidos em formato de planilhas eletrônicas Microsoft Office Access em agosto de Após exportar os dados para o Microsoft Office Excel e organizar a série diária de precipitação construíram-se as séries mensais e anuais para o posto em questão. Nessa etapa do trabalho pode-se identificar na série as lacunas de informação e emitir um relatório de falhas. Conforme se pode observar na Tabela 1, ocorreram 9 períodos com falha no registro dos dados no intervalo de agosto de 1964 a dezembro de As falhas 1 e 2 caracterizam-se por serem falhas quinzenais, enquanto as falhas denominadas 3, 4 e 5 são mensais e as falhas 6, 7, 8 e 9 são consideradas anuais e serão preenchidas devido ao fato de que a ausência de alguns períodos, quinzenais ou mensais, invalida as séries anuais. Tabela 1. Relatório de ausência de dados na série histórica de precipitação da estação Granja Cerrito, no período de agosto de 1964 a dezembro de Falha Período com ausência de dados 1 15/12/1964 a 31/12/ /05/1965 a 29/05/ /10/1969 a 31/10/ /11/1969 a 30/11/ /12/1998 a 31/12/ Para o preenchimento de falhas são utilizadas, no mínimo, três séries históricas de postos vizinhos à estação em questão. Neste estudo estabeleceu-se que seriam utilizadas quatro séries históricas por preenchimento de falha. A definição das estações baseou-se nos seguintes critérios: i) estar localizada próximo ao posto Granja Cerrito; ii) situar-se em região com característica climática semelhante às encontradas na região da estação Granja Cerrito; iii) não conter falhas em períodos similares às falhas encontradas no estudo da série; e iv) possuir semelhança no tempo de registro de dados. Como a série histórica da estação Granja Cerrito e séries históricas de estações vizinhas apresentaram algum período comum de ausência de dados, não houve a possibilidade de se utilizar sempre as mesmas séries históricas no preenchimento das falhas. Devido a isso, utilizaram-se sete diferentes séries históricas que correspondem as estações Vila Freire, Granja São Pedro, Passo do Mendonça, Ponte Cordeiro de Farias, Passo da Capela, Granja Coronel Pedro Osório e Arroio Grande. A Figura 1 apresenta a localização espacial do posto Granja Cerrito, caracterizado pelo número 7, com relação à localização de cada posto vizinho. O marcador número 1 relaciona-se à estação Vila Freire, o 2 à Granja São Pedro, o número 3 mostra o posto Passo do Mendonça, o número 4 a estação Ponte Cordeiro de Farias, o número 5 equivale à Passo da Capela, número 6 ao posto Granja Coronel Pedro Osório e o marcador 8 à estação Arroio Grande.

4 Figura 1. Localização espacial da estação Granja Cerrito (7) com relação aos postos vizinhos. Na Tabela 2 pode-se verificar o período de registro de dados de cada estação vizinha utilizada nesse estudo. Observa-se que apenas a estação pluviométrica Passo do Mendonça registrou dados durante todo o ano de 1964 e que a estação Ponte Cordeiro de Farias iniciou o registro de dados no segundo semestre do mesmo ano. Tabela 2. Período de registro de pluviosidade e coordenadas geográficas das estações pluviométricas vizinhas à Estação Granja Cerrito. Estação Pluviométrica Período com registro de dados Latitude Longitude Ponte Cordeiro de Farias 01/09/1964 à 31/12/ º º27 47 Passo do Mendonça 01/01/1944 à 31/12/ º0 2-52º2 57 Granja São Pedro 01/01/1966 à 31/12/ º Arroio Grande 01/09/1966 à 31/12/ º º5 23 Granja Cel. Pedro Osório 01/01/1967 à 31/12/ º º39 10 Vila Freire 01/10/1976 à 31/12/ º º46 22 Passo da Capela 01/01/1977 à 31/12/ º8 3-53º3 14 Para o preenchimento de falhas foram realizados ensaios utilizando três métodos recomendados por Bertoni & Tucci (2002): método da ponderação regional, método da regressão linear simples e método da ponderação regional com base em regressões lineares. O método da ponderação regional visa à análise estatística das precipitações e a homogeneização do período de informações. As falhas na série do posto pluviométrico Granja Cerrito, y, foram preenchidas por este método conforme a equação onde x1, x2, x3 e x4 correspondem às precipitações registradas pelas estações vizinhas no mês ou ano em que se deseja preencher; xm1, xm2, xm3 e xm4 equivalem às médias de precipitação das estações vizinhas; e ym à precipitação média no posto pluviométrico Granja Cerrito. No método da regressão linear simples, foram construídos gráficos cartesianos ortogonais relacionando a série de dados da estação Granja Cerrito com a série de dados de cada um dos 4 postos vizinhos. A relação linear que gerar o coeficiente de determinação mais próximo de 1 tem sua equação do gráfico aplicada no cálculo de y.

5 Para o método da ponderação regional com base em regressões lineares, estabeleceram-se regressões lineares entre a série do posto Granja Cerrito e cada um dos postos vizinhos. Cada regressão linear gerou um coeficiente de correlação (r) e puderam-se estabelecer fatores de peso para cada estação vizinha segundo a seguinte equação: onde W xj equivale ao fator de peso entre o posto Granja Cerrito e um posto vizinho e r yxj corresponde ao coeficiente de correlação entre os postos. Com o fator de peso calculado, o valor a ser preenchido na lacuna da série é dado por Após o preenchimento das lacunas apresentadas nas séries mensais e anuais de precipitação, analisou-se a consistência dos dados através do método Dupla Massa. Uma planilha eletrônica foi utilizada para organizar as séries anuais de precipitação das Estações Granja Cerrito, Ponte Cordeiro de Farias, Passo do Mendonça, Granja Coronel Pedro Osório e Arroio Grande. Ainda foram inseridas na planilha três colunas, sendo uma referente ao precipitado acumulado da Estação Granja Cerrito, uma segunda que continha a média do precipitado da região, calculado através da média das quatro estações vizinhas, e a última o acumulado do precipitado médio da região. Por meio dos precipitados acumulados tanto da estação Granja Cerrito quanto da região, construiu-se um gráfico de dispersão contendo no eixo x o precipitado acumulado na região e no eixo y o precipitado acumulado da Estação Granja Cerrito. O gráfico gerou uma curva denominada Dupla Massa, permitindo analisar o grau de homogeneidade dos dados. De acordo com Bertoni & Tucci (2002), se a série histórica preenchida é proporcional à série da média das estações vizinhas os pontos devem alinhar-se segundo uma reta. 3- Resultados O método da ponderação regional, o método da regressão linear e o método da ponderação regional com base em regressões lineares só devem ser utilizados com, no mínimo, 3 séries de precipitação de postos vizinhos (Bertoni & Tucci, 2002). Apenas 2 estações pluviométricas já estavam operando durante o ano de 1964, a estação Passo da Capela e a estação Ponte Cordeiro de Farias, e no período que corresponde ao ano de 1965 nenhuma outra estação entrou em operação. Como não havia informações suficientes para o preenchimento das falhas 1 e 2, respectivamente 15/12/1964 a 31/12/19644 e 15/05/1965 a 29/05/1965, e das falhas 6 e 7, correspondentes à 1964 e 1965, os primeiros 17 meses da série histórica da estação Granja Cerrito foram desconsiderados. Os ensaios realizados através do método da ponderação regional podem ser observados na Tabela 3. Tabela 3. Valores calculados através do método da ponderação regional. Falha Período com ausência de dados Valor calculado (mm) 3 01/10/1969 à 31/10/ , /11/1969 à 30/11/ , /12/1998 à 31/12/ , , ,19 Na Tabela 4, podem ser observados valores de precipitação obtidos pelo método da regressão linear. Ainda nesta Tabela pode-se observar que a série de dados da estação Arroio

6 Grande obteve a melhor relação linear com a série de dados da estação Granja Cerrito em quatro dos cinco preenchimentos de falhas. Tabela 4. Dados calculados pelo método da regressão linear e melhor posto com relação linear para cada preenchimento de falha. Falha Período com ausência de dados Valor calculado (mm) Posto com melhor relação linear 3 01/10/1969 à 31/10/ ,52 Arroio Grande 4 01/11/1969 à 30/11/ ,92 Arroio Grande 5 01/12/1998 à 31/12/ ,04 Arroio Grande ,03 Granja Cel Pedro Osório ,68 Arroio Grande Na Tabela 5, podem ser visualizados os resultados obtidos pela combinação dos métodos de ponderação regional e de regressão linear. Tabela 5. Valores preenchidos através do método da ponderação regional com base em regressões lineares. Falha Período com ausência de dados Valor calculado (mm) 3 01/10/1969 à 31/10/ , /11/1969 à 30/11/ , /12/1998 à 31/12/ , , ,27 O Coeficiente de Variação dos valores calculados através dos três métodos de preenchimento de falhas pode ser observado na Tabela 6. O preenchimento da falha 8, que corresponde ao ano de 1969, apresentou valores mais homogêneos, em contra partida, a falha 4 obteve valores mais dispersos, 15,6%. Observa-se que o preenchimento de séries mensais comparado ao preenchimento anual resultou em maiores coeficientes de variação, como por exemplo, a série mensal de 1998 (CV = 13%) e série anual de 1998 (CV = 8,6). Isso pode ter ocorrido em virtude da variabilidade mensal ser bem maior que a anual entre as estações, sendo esse o provável fator responsável pela maior variação de resultados no preenchimento mensal. Tabela 6. Coeficiente de variação porcentual dos valores obtidos pelas três metodologias de preenchimento de falhas. Falha Período com ausência de dados Coeficiente de Variação (%) 3 01/10/1969 à 31/10/1969 6,3 4 01/11/1969 à 30/11/ ,6 5 01/12/1998 à 31/12/ , ,6 Dos valores estimados pelas metodologias utilizadas no estudo, validaram-se aqueles gerados pela combinação dos métodos de ponderação regional e de regressão linear. Os métodos da ponderação regional e da ponderação regional com base em regressões lineares obtiveram os resultados mais semelhantes, já o método da regressão linear simples apresentou valores um pouco distantes. Isso ocorre por que, neste método, é utilizada apenas a série histórica que apresenta relação linear mais próxima de 1 para o preenchimento das falhas, enquanto que os dois outros métodos ponderam com todas estações, e o método da ponderação regional com base em regressões lineares agrega mais informações. A Figura 2 apresenta a Curva de Dupla Massa gerada para verificação da consistência dos dados de pluviosidade.

7 Figura 2. Curva Dupla Massa para análise de consistência dos dados. A série histórica de precipitação da estação pluviométrica Granja Cerrito preenchida com os valores estimados pelo Método da Ponderação Regional com Base na Regressão Linear mostrou, através da Curva Dupla Massa observada na Figura 3, um grau de homogeneidade de 99,9% com relação às observações registradas na região. A declividade da reta gerada pela Curva Dupla Massa indica o fator de proporcionalidade entre as séries em questão e a série obtida pela média dos dados das séries de postos vizinhos. Os pontos alinham-se segundo uma linha reta, indicando a consistência dos dados e descartando a possibilidade de haver erros sistemáticos, alteração nas condições de observação e mudança nas condições climáticas do local. 4- Conclusões: 1) O estudo demonstrou que o método da ponderação regional com base em regressões lineares, utilizado no preenchimento de falhas, implicou em resultados similares aos gerados pelo método da ponderação regional. 2) O alinhamento dos pontos que formaram a reta exibida na Curva Dupla Massa, mostrou que a série histórica sem ausência de dados, ou seja, já preenchida, é consistente quando comparada à série da média de precipitação dos postos utilizados neste trabalho. 3) A ausência de falhas em uma série histórica de dados de precipitação torna viável a gestão dos recursos hídricos e o desenvolvimento de projetos baseados em análises estatísticas consistentes e não tendenciosas. 4) Referências Bibliográficas BERTONI, J. C.; TUCCI, C. E. M. Precipitação. In TUCCI, C. E. M. Hidrologia: Ciência e Aplicação. 3 ed. Porto Alegre: Editora da UFRGS, 2002, 943p. (Coleção ABRH de Recursos Hídricos; vol. 4) COLLISCHONN, B. Uso de precipitação estimada pelo satélite TRMM em modelo hidrológico distribuído. Programa de Pós Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Mestrado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Porto Alegre. RS p.

8 INVENTÁRIO DAS ESTAÇÕES PLUVIOMÉTRICAS. Agência Nacional de Águas. 2 ed. Brasília: ANA; SGH, NAGHETTINI, M; PINTO, E. J A. Hidrologia Estatística. Belo Horizonte: CPRM, 2007, 552p. OLIVEIRA, L. F. C. et al.; Comparação de metodologias de preenchimento de falhas de séries históricas de precipitação pluvial anual. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v.14, n.11, p , PINTO, N. L. S. et al. Hidrologia Básica. São Paulo: Edgard Blucher Ltda, 2008, 278p.