NIVELAMENTO DE ESTAÇÕES LINIMÉTRICAS DO RIO UATUMÃ COM DADOS ALTIMÉTRICOS LEVELLING THE GAUGES STATIONS IN THE UATUMÃ RIVER BY RADAR ALTIMETRY DATA

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1 NIVELAMENTO DE ESTAÇÕES LINIMÉTRICAS DO RIO UATUMÃ COM DADOS ALTIMÉTRICOS Cláudio Augusto de Paula Lima 1* ; Joecila Santos da Silva 1 ; Mylena Vieira Silva 2 ;Stéphanne Calmant 3 & Frédérique Seyler 4 Resumo: Embora a altimetria espacial não tenha sido desenvolvida para a hidrologia, mais de 20 anos de sucesso em satélites altimétricos forneceram dados complementares que podem ser usados para criar produtos hidrológicos para bacias hidrográficas, como por exemplo, a bacia amazônica. Devido ao difícil acesso em muitas regiões remotas da bacia amazônica e do alto custo para a instalação de uma vasta rede de funcionamento de estações hidrológicas, este estudo tem como objetivo determinar o nivelamento das estações linimétricas do rio Uatumã, através do método de declividade nula. As leis do escoamento implicam em primeira ordem que a altura da superfície da água à montante seja sempre maior do que a da superfície da água à jusante. Na prática, é quase impossível usar esta regra simples para verificar a consistência hidro-dinâmica de derivados de pares de séries altimétricas, uma vez que não é muito provável que diferentes faixas atravessem o rio nas mesmas datas. Por isso, este teste foi realizado com pares de séries altimétricas e linimétricas para que seja verificado se uma série linimétrica poderia ser nivelada entre duas séries altimétricas sem violar a regra, que afirma que nenhum ponto da série seja inferior a um ponto da série altimétrica à jusante e nenhum ponto seja maior do que a série altimétrica à montante. São apresentados dois estudos de nivelamento no rio Uatumã. As séries que são usadas nesta parte do estudo são do satélite ENVISAT utilizando o algoritmo Ice-1. Palavras-chave: Altimetria espacial, bacia Amazônica, declividade nula LEVELLING THE GAUGES STATIONS IN THE UATUMÃ RIVER BY RADAR ALTIMETRY DATA Abstract: Although the radar altimetry was not primarily dedicated to hydrology, more than 20 years of success in satellite altimetry have furnished complementary data that can be used to create hydrological products for river basin, such as the Amazon basin. Because of difficult access in many remote regions of the Amazon basin and the high cost for installation of a vast operating network of hydrological stations, this study aims determining the gauge zero along the station of the Madeira River, through the method of null-slope. Flow laws imply at first order that the altitude of the water surface upstream be always higher than that of the water surface downstream. Practically, it is almost impossible to use this simple rule to verify the hydro-dynamical consistency of altimetry-derived series pairs, since different tracks are not very likely to cross the river at the same dates. Therefore, this test was performed with pairs of altimetry series when the tracks fall on either side of a gauge. We checked if a gauge series could be level-adjusted between two altimetry series without violating the rule that states that no point of the gauge series is lower than a point of the downstream altimetry series and no point is higher than the altimetry series upstream. Two cases in the Uatumã River are presented. The series used in this part of the study are the ENVISAT Ice-1. Keywords: Radar altimetry, Amazon basin, null-slope 1 Universidade do Estado do Amazonas (Escola Superior de Tecnologia)- UEA (EST), Av.Darcy Vargas, 1200, , Manaus - AM, Brasil. E- mail: cadpl.eng@gmail.com; jsdsilva@uea.edu.br 2 Instituto Nacional de Pesquisa da Amazônia - INPA: Mestranda em Clima e Ambiente (INPA/UEA) - Av. André Araújo, Aleixo - CEP Manaus, AM, Brasil. mylenavieirasilva@gmail.com 3 Institut de Recherche pour le Développement IRD, UMR 5566 LEGOS CNES/CNRS/IRD/UT3, 14 av. Edouard Belin, 31400, Toulouse, France. stephane.calmant@ird.fr 4 Institut de Recherche pour le Développement IRD, UMR ESPACE-DEV, 500 rue Jean François Breton, 34093, Montpellier Cedex 5, France. E- mail: frederique.seyler@ird.fr XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 1. INTRODUÇÃO O estudo e conhecimento do espaço hídrico têm levado as sociedades do mundo a refletirem sobre os diversos aspectos de suas vidas, assim como a sua relação com o meio natural e a relação dos homens entre si através dos tempos, quer seja por suas próprias experiências, quer por um acervo científico. A Amazônia apresenta a maior rede hidrográfica do planeta. Sua bacia possui 20% da água doce da Terra, em uma área de cerca de 6,9 milhões de km² na América do Sul, correspondendo a 5% das terras emersas. É a maior bacia fluvial do mundo segundo Molinier et al. (1995). Essa grande bacia, estende-se ao longo de uma faixa tropical, desde os Andes peruanos até o oceano Atlântico. Sua área em território brasileiro, que corresponde a 45,8% da área de drenagem do Brasil, apresenta como limite ao Norte o relevo do planalto das Guianas, à Oeste a cadeia Andina, ao Sul o planalto brasileiro e à Leste a costa do Atlântico. Devido à falta de continuidade espacial e temporal das medidas hidrometeorológicas, o balanço hídrico na região Amazônica é difícil de ser calculado. O sistema de informações hidrológicas HidroWeb, mantido pela Agência Nacional de Águas (ANA), contém dados de diferentes estações hidrológicas para a bacia Amazônica, em território brasileiro, contabilizando 435 estações fluviométricas conforme ANA (2014). Os dados linimétricos coletados são muito importantes para estudos relacionados às áreas de hidrologia e meteorologia, sendo obtidos por réguas linimétricas ou por estações automáticas linimétricas. A utilização de dados de satélite de observação da Terra, principalmente a altimetria espacial, permite uma visualização da superfície em escala continental, sobretudo nas regiões de difícil acesso da bacia Amazônica, de forma homogênea, continua e frequente, com detalhamento espacial e temporal que as redes tradicionais de observação não permitem [Calmant e Seyler (2006)]. Inicialmente as aplicações da técnica de altimetria espacial foram desenvolvidas para o monitoramento dos oceanos, estudos relacionados a mudanças climáticas, geodésia e geofísica. Graças a sua cobertura espacial densa e homogênea, esta técnica é utilizada para ampliar a rede de monitoramento hidrológico em áreas remotas, construindo longas séries temporais de níveis de água em áreas continentais [Silva et al. (2014)]. A operação que determina as diferenças de nível ou distâncias verticais entre pontos do terreno é conhecida como nivelamento. Segundo Moreira (2010) a aplicação de nivelamento a uma referência global das estações fluviométricas constitui contribuição no estabelecimento de uma metodologia e de uma proposição para o nivelamento das estações fluviométricas da Rede Nacional de Hidrometeorologia. No presente momento, essa rede não apresenta muitos registros de estações niveladas. Em seu banco de dados (HidroWeb), grande parte das estações fluviométricas disponíveis apresentam referências arbitrárias, característica que limita a aplicação correta dos dados de níveis de água a estudos hidrológicos e hidrodinâmicos. O nivelamento de estações linimétricas pode ser executado de duas maneiras: direto utilizando medidas provenientes do Sistema de Posicionamento Global GPS e nivelamento indireto utilizando medidas altimétricas [Silva (2010)]. Neste trabalho foi utilizado o método de nivelamento de declividade nula para o nivelamento das réguas linimétricas do rio Uatumã, determinando o nível do zero das réguas empregando-se dados do satélite altimétrico ENVISAT com o algoritmo Ice METODOLOGIA DO TRABALHO 2.1 Área de Estudo O rio Uatumã é um rio afluente da margem norte do rio Amazonas. O rio tem em seu leito a Usina Hidrelétrica de Balbina (UHE-Balbina) e o seu curso é navegável em 295 km, até esta usina. A sua nascente se localiza na divisa dos estados do Amazonas e de Roraima, no Escudo das XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Guianas. Outras características importantes, bem como a localização do Rio Uatumã na bacia Amazônica, são mostradas na Tabela 01 e na Figura 01, respectivamente. Comprimento Tabela 01. Características do Rio Uatumã 660km Largura (traço 564 e traço 020) Nascente Foz Área da bacia Afluentes principais 5,2 km e 200 m Escudo das Guianas Rio Amazonas 295 km² Rio Jatapú Figura 01. Localização do rio Uatumã, objeto deste estudo, estações virtuais (círculos em amarelo), estações linimétricas (círculos em branco) e traços do satélite ENVISAT (linhas em azul). Imagens do Google Earth em segundo plano 2.2 Dados Dados in situ As séries temporais de nível de água das estações linimétricas foram obtidas no site Hidroweb, da rede hidrometeorológica da Agência Nacional de Águas (ANA). Serão analisadas as estações Balbina P-8 ( ) e a Cachoeira Morena ( ) e algumas informações importantes sobre essas estações são mostradas na Tabela 02. Tabela 02. Informações sobre as estações in situ do Rio Uatumã. Nome da estação Balbina P-8 Cachoeira Morena Código Bacia Rio Amazonas Rio Amazonas Sub-bacia Rio Amazonas, Trombetas, Outros. Rio Amazonas, Trombetas, Outros. Rio Rio Uatumã Rio Uatumã XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Estado Amazonas Amazonas Município Presidente Figueiredo Presidente Figueiredo Responsável ANA ANA Operadora CPRM CPRM Latitude -1:56:17-2:6:22 Longitude -59:29:0-59:20:39 Área de Drenagem Dados Altimétricos Foram utilizados os registros de dados geofísicos (Geophysical Data Records GDRs) da missão altimétrica ENVISAT provenientes do algoritmo standart de tratamento de forma de onda (FO) Ice-1. O satélite ENVISAT (ENVIronmental SATallite) estava posicionado em uma órbita elíptica héliossíncrona com uma inclinação de 98,5, a uma altitude média de 785 km e uma distância inter-traço no Equador de aproximadamente 80 km, sendo constituído por 10 instrumentos (entre eles radares, espectrômetros, radiômetro e sistemas de posicionamento precisos) que permitiram uma análise rigorosa da atmosfera, continentes, oceanos e gelo do planeta (Wehr et al., 2001), incluindo um altímetro de radar RA-2 ou Advanced Radar Altimeter. Para assegurar um tempo de vida adicional o satélite ENVISAT moveu-se para uma órbita a uma altitude média de 782 km em 22 de outubro de 2010 e encerrou definitivamente suas atividades em abril de 2012 (Silva, 2010). Os GDRs são tratados e disponibilizados pelo CTOH (Centre de Topographie des Océans et de l'hydrosphère) do LEGOS (Laboratoire d Études en Geophysique et Océanographie Spatiales) em Toulouse, na França. Os GDRs, processados e disponibilizados pelo CTOH do LEGOS, para uso no presente estudo proveniente da missão ENVISAT, utilizando-se o algoritmo standard de tratamento de FO Ice-1, foram obtidos entre as coordenadas geográficas 90 W a 40 W e 13 N a 21 S. Extraíram-se do CTOH 90 traços, totalizando 93 ciclos entre o período de 10/2002 a 10/2010. Em relação à exatidão das séries temporais altimétricas, conforme Silva (2010), a precisão delas é de ordem decimétrica: 70% das séries do satélite ENVISAT apresentaram, em seu estudo, erro médio quadrático (RMS) inferior a 40 cm, com valores mínimos de 12 cm e 23 cm com os algoritmos Ice-1 e Ice-2. É importante ressaltar também que segundo Calmant e Seyler (2006), a largura da faixa imageada do altímetro apresenta uma contaminação do sinal por ecos parasitas (margens dos rios, vegetação, ilhas) que atrapalham a análise dos dados, necessitando então eliminar durante a seleção dos dados altimétricos tais pontos contaminados. 2.3 Estação Virtual As estações foram criadas segundo o mesmo método utilizado por Vergasta et al. (2013), a partir das medições do satélite ENVISAT. Essas têm a finalidade de produzir dados de variação dos níveis de água em um determinado local. Uma estação virtual consiste na interseção do curso do satélite altimétrico com o corpo hídrico, sendo possível, coletar os sucessíveis dados de variação dos níveis de água do local, a cada passo do satélite [Calmant e Seyler (2006)]. Usa-se o termo virtual para diferenciá-la da estação convencional linimetrica, que de fato, está materializada no local. Com o objetivo de aprimorar o processo de escolha dos dados altimétricos foi utilizada a metodologia descrita em Silva et al. (2010) empregando o programa VALS (2013) (Virtual Altimetry Station). Ainda segundo Silva et al. (2010), esta metodologia possibilita realizar a seleção e a correção individuais dos dados XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 altimétricos originários da passagem dos satélites. Assim, devem-se seguir alguns passos para o processamento destes dados como: definir uma área de estudo no programa Google Earth; preparar os dados para processamento pelo VALS, no qual há a seleção de dados; obter a série temporal de cotas proveniente das observações altimétricas. Uma ilustração, desenvolvida com o auxílio do programa Google Earth, de umas das estações virtuais utilizadas para o presente estudo, pode ser observada na Figura 02. Figura 02. Estação virtual UATUMA_564, no Rio Uatumã. Limite da estação virtual (polígono amarelo), seleção dos dados altimétricos (pontos vermelhos) e a passagem do satélite ENVISAT na direção norte-sul (linha azul). Imagens do Google Earth em segundo plano. 2.4 Programa VALS A ferramenta VALS (Virtual Altimetry Station) consiste em um software que foi desenvolvido para gerar gráficos simultâneos permitindo, assim, uma seleção tri-dimensional dos dados altimétricos em um espaço superfície-profundidade [Silva et al. (2010)]. 2.5 Nivelamento de estações fluviométricas através do método de declividade nula Segundo Silva et al. (2010) os conceitos básicos da hidrodinâmica estabelecem que a altura da superfície da água a montante do rio seja sempre mais elevada do que a jusante do rio. Conchy et al. (2013) lembra que não é possível, praticamente, verificar a consistência hidrodinâmica de pares de séries temporais altimétricas usando apenas esta regra simples, pois os traços diferentes são poucos prováveis de cruzar o rio nas mesmas datas. Segundo aqueles autores, no nivelamento por declividade nula, a série temporal da estação in situ deve se intercalar da melhor forma entre as séries temporais altimétricas, a montante e jusante, onde suas alturas foram convertidas em altitude. Desta forma, no nivelamento da estação in situ, nenhum ponto da série temporal altimétrica a montante deverá ser inferior aos pontos da série temporal in situ, bem como nenhum ponto da série temporal altimétrica a jusante deverá ser superior aos pontos da série temporal in situ. Denominouse esse método de nivelamento de declividade nula (null-slope), pois, na realidade, testou-se que no mínimo, a declividade entre uma série altimétrica e a série in situ nivelada deve ser nula e nunca se inverter. 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Para o presente estudo foram utilizados os dados de duas estações linimétricas obtidos através do site Hidroweb. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Aplicando o método de nivelamento com declividade nula, foram realizados 2 (dois) nivelamentos de estações linimétricas no rio Uatumã utilizando duas estações virtuais proveniente do algoritmo Ice-1, para o satélite ENVISAT, conforme Tabela 03. Tabela 03. Nivelamento das estações in situ com declividade nula entre os traços do satélite. Estação in situ Estação virtual Montante Jusante long. e lat. (º) Distância (km) Nível zero da régua Desvio padrão (m) Declividade (cm/km) Balbina P ,8291º e -1,5420º -59,2413º e -2,1418º 62,44 43,22 3,124 +/- 0,089 30,7 Cachoeira Morena ,8291º e -1,5420º -59,2413º e -2,1418º 91,96 13,56 15,518 +/- 0,131 30,3 O primeiro nivelamento corresponde à estação de Balbina P-8. A estação in situ é enquadrada pelos traços 564 e 020 que cruzam o rio 62 km à montante e 43 km à jusante, respectivamente. Observa-se que a declividade média entre as séries altimétricas nesse trecho do rio Uatumã é de 30,7 cm/km. Tal declividade resulta em um nível interpolado para o zero da régua de Balbina P-8 de 3,124 m com desvio padrão de 0,089 m, conforme Tabela 03 e Figura 03. Esse desvio-padrão é reflexo da mitigada incerteza do nivelamento e também pode ser observado nos estudos de Conchy et al (2013) e Vergasta et al (2013) que apresentaram valores de 0,019 a 4,407. Figura 03. Nivelamento da estação in situ Balbina P-8, com declividade nula entre os traços 564 e 020 do satélite ENVISAT, no rio Uatumã. As linhas vermelha, azul e preta correspondem respectivamente, as estações altimétricas à montante e à jusante e a estação in situ. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Para a estação linimétrica Cachoeira Morena, que também fica entre os traços 564 e 020, cruzam o rio 92 km à montante e 13 km à jusante da estação in situ, respectivamente. A declividade média dada entre as séries altimétricas nesse trecho do rio é de 30,3 cm/km. Essas declividades encontradas para as duas estações estudadas são consideradas altas e isso pode ser explicado pela existência, no trecho estudado, da usina hidrelétrica de Balbina (UHE-Balbina) que se encontra à jusante do traço 564 e à montante do traço 020. As análises para essa estação resultaram em um nível para o zero da régua de 15,518 m, variando entre +/- 0,131 m, conforme Tabela 03 e Figura 04. Tal nível de 15,518 m tem o valor próximo ao nível encontrado para a estação Codajás (12,128 m) estudada por Vergasta et al (2013), porém o desvio-padrão para essa estação foi de 0,022, distante do valor encontrado para a Cachoeira Morena. Observa-se que o desvio-padrão não está proporcionalmente ligado ao valor do nível para o zero da régua. Figura 04. Nivelamento da estação in situ Cachoeira Morena, com declividade nula entre os traços 564 e 020 do satélite ENVISAT, no rio Uatumã. As linhas vermelha, azul e preta correspondem respectivamente, a estação montante, a estação jusante e a estação in situ. 4. CONCLUSÃO Nivelar estações in situ entre duas séries altimétricas é uma aplicação da altimetria espacial que é apresentada neste estudo. Foram niveladas duas réguas linimétricas utilizando-se duas estações virtuais provenientes de dados altimétricos da missão ENVISAT. Esse nivelamento também permite a determinação da declividade ao longo do segmento entre os dois traços do satélite. Na região Amazônica, onde os dados in situ apresentam-se escassos, limitados por dificuldades logísticas e alguns com inconsistências nos registros, tais circunspeções constituem um ganho substancial, auxiliando na eficiência dos estudos e projetos na área de recursos hídricos que necessitam da utilização de dados hidrológicos. 5. AGRADECIMENTOS Este estudo se insere nos projetos de pesquisa IHESA/RHIA (FINEP), HIDRAS (CNPq/CAPES), DS BIODIVA e CLIVAR (FAPEAM), Dinâmica Fluvial do Sistema Solimões- Amazonas (CPRM) e FOAM (CNES/TOSCA). Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pela bolsa de Apoio Técnico concedida ao primeiro autor. Ao Centre de Topographie des Océans et de l'hydrosphère - CTOH do Laboratoire XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 d Études en Geophysique et Océanographie Spatiales - LEGOS, pelos Geophysical Data Records - GDRs e as correções troposféricas correspondentes e à European Space Agency - ESA pela garantia do uso dos dados da missão ENVISAT disponibilizados para o estudo. 6. REFERÊNCIAS AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS (2014). Rede Hidrometeorologica da Amazônia. Disponivel em: < >Acesso em: 03 de abril CALMANT, S.; SEYLER, F. (2006). Continental surface water from satellite altimetry. Comptes Rendus Geosciences, v. 338, n , p doi: /2001JD CONCHY, T.S.X.; MARIA, A.G.P.; OLIVEIRA, R.A.; SILVA, J.S.; CALMANT, S.; SEYLER, F. (2013). Nivelamento de estações linimétricas do rio Juruá com dados altimétricos do satélite ENVISAT. In Anais do XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, Foz do Iguaçu, Abril de 2013, PR, Brasil, INPE. p MOLINIER, M.; GUOYT, J.L.; GUIMARÃES, V.; OLIVEIRA, E. (1995). Hydrologie du Bassin de l Amazone. In: BOULEGUE, J.; OLIVRY, J. C. Grands Bassins Fluviaux Periatlantiques: Congo, Niger, Amazone. Paris, France: Orstom, IRD Editions: Actes du Colloque Pegi/INSU/CNRS, 22-24/11/1993, p MOREIRA, D. M. (2010). Rede de referência altimétrica para avaliação da altimetria por satélites e estudos hidrológicos na região amazônica, p. Dissertação (mestrado) UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Civil. SILVA, J. S. (2010). Altimetria Espacial em Zonas Úmidas da Bacia Amazônica Aplicações Hidrológicas. Saarbrücken (GE): Édition Universitaires Européennes, 350p. ISBN: SILVA, J. S.; CALMANT, S.; SEYLER, F.; FILHO, O.C.R.; COCHONNEAU, G.; MANSUR, W.J. (2010). Water levels in the Amazon Basin derived from the ERS 2- ENVISAT radar altimetry missions. Remote Sensing of Environment, 114(10): , doi: /j.rse SILVA, J. S.; CALMANT, S.; SEYLER, F.; MOREIRA, D.M.; MONTEIRO, A. (2014). Radar Altimetry Aids Managing Gauge Networks. Water Resources Management, v. 28, n. 3, pp , doi: /s z. VALS. (2014) Virtual ALtimetry Station, Versão , 06/2014, COCHONNEAU, G. CALMANT, S. Disponível em: Acesso em: 24/04/2015. VERGASTA, L.A.; SILVA, J.S.; CALMANT, S.; SEYLER, F.; LIMA, C.A.P. (2013). Nivelamento de estações linimétricas do rio Solimões com dados altimétricos. In Anais do XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos. Porto Alegre: ABRH, Nov p. PAP WEHR, T.; ATTEMA, E. (2001) Geophysical validation of ENVISAT data products. Advances in Space Research, v. 28, n. 1, pp doi: /S (01) XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8