CONFECÇÃO E CALIBRAÇÃO DE PLUVIÔMETRO ALTERNATIVO COMO SUBSÍDIO À MEDIÇÃO DE PRECIPITAÇÃO

Transcrição

1 CONFECÇÃO E CALIBRAÇÃO DE PLUVIÔMETRO ALTERNATIVO COMO SUBSÍDIO À MEDIÇÃO DE PRECIPITAÇÃO RESUMO Édila Bianca Monfardini Borges 1 Núbia Valéria Moreira Pina 2 Carla Fonseca do Nascimento 3 Marcelo de Oliveira Latuf 4 A água que é evaporada e condensada na atmosfera retorna à superfície na forma de precipitação, que é coletada por pluviômetros e/ou pluviógrafos. Devido ao custo destes aparelhos, objetiva-se com este trabalho confeccionar e calibrar dois protótipos de pluviômetros, a fim de proporcionar à população uma maneira artesanal, de baixo custo e precisa para a coleta de dados de chuva. Os protótipos foram confeccionados utilizando-se material reciclável do tipo garrafa PET e calibrados a partir da leitura da lâmina acumulada, por meio de uma proveta de 25 ml. Posteriormente, fixou-se os protótipos a hastes de madeira, sendo instalados ao lado de um pluviômetro do tipo Paulista, no 4 Batalhão de Engenharia de Construção (4 BEC), localizado na cidade de Barreiras-BA. A análise dos dados foi realizada por meio de correlação estatística entre os dados coletados pelos protótipos e um pluviômetro de referência, com limiar de aceitação de 0,70 para o coeficiente de determinação (R²), bem como pelo teste T ao nível de 5% de significância e estimativa do intervalo de confiança a 5% de significância. Deste modo, espera-se subsidiar com este projeto a confecção de um protótipo de pluviômetro alternativo, com grau de ajuste satisfatório, oportunizando a prática da Geografia escolar, como uma ferramenta didático-pedagógica, por meio da interação entre o conhecimento técnico e a prática aplicada, bem como a elaboração de uma rede de monitoramento no sítio urbano de Barreiras/BA. Palavras-chave: Monitoramento, precisão, material reciclável. INTRODUÇÃO A chuva é uma variável climática fundamental no balanço hídrico, sendo a compreensão de sua disponibilidade e intensidade essencial ao diagnóstico das variações sazonais do clima em um dado período de tempo, o que faz do seu monitoramento uma tarefa indispensável. O monitoramento por sua vez é realizado em estações meteorológicas e/ou climatológicas, por meio de pluviômetros ou pluviógrafos, e devido ao elevado custo para aquisição e manutenção destes equipamentos, torna-se oneroso à criação de uma rede de monitoramento desta variável, bem como de sua manutenção (preventiva e corretiva). 1, 2 e 3 Graduandas em Geografia pela Universidade Federal da Bahia UFBA/ICADS - Barreiras/BA. 1 : edila-monfardini@hotmail.com; 2 : moreira_nubia@yahoo.com.br; 3 : carlafonseca2011@hotmail.com; 4 Professor adjunto do curso de Geografia da Universidade Federal da Bahia UFBA/ICADS - Barreiras/BA. marcelo.latuf@ufba.br.

2 Deste modo, optou-se pela utilização de materiais recicláveis, do tipo garrafas PET, no intuito da confecção de pluviômetros alternativos, devido seu baixo custo de aquisição, bem como pelo incentivo à educação ambiental. Assim, o presente artigo tem por objetivo subsidiar o monitoramento dos dados diários de precipitação, a partir de protótipos de pluviômetros confeccionados com material reciclável e calibrado com grau de ajuste satisfatório, a fim de proporcionar à população uma maneira artesanal, de baixo custo e precisa para a coleta de dados de chuva, bem como estimular a prática da Geografia escolar como uma ferramenta didáticopedagógica, além da elaboração de uma rede de monitoramento no sitio urbano de Barreiras/BA. REFERENCIAL TEÓRICO A precipitação é o processo pelo qual a água condensada na atmosfera atinge a superfície terrestre na forma líquida ou sólida (TORRES e MACHADO, 2011, p. 57). Para Ayoade (2007) refere-se a uma expressão quantitativa do ciclo hidrológico e a seus vários componentes, sobre uma área específica em determinado período de tempo. No entanto, a sua distribuição apresenta uma expressiva variabilidade temporal e espacial e por isso, de acordo com Mol (2005) torna-se difícil a sua identificação e quantificação. Neste sentido, a inferência das lâminas precipitadas é diretamente dependente da rede coletora de dados, ou seja, da densidade e distribuição dos postos de monitoramento. Assim, quanto maior o número de pontos de monitoramento, melhor será a compreensão espaço-temporal do fenômeno. Entretanto, no Brasil a rede de monitoramento de precipitação ainda apresenta uma série de dificuldades, uma delas com relação justamente à densidade amostral (TUCCI, 2009). Utiliza-se historicamente no Brasil, para fins de monitoramento das lâminas precipitadas em mm, dois aparelhos (a) o pluviômetro e (b) o pluviógrafo. O pluviômetro é um aparelho utilizado para medição da altura precipitada, na qual cada milímetro de chuva coletado corresponde a um litro de água por metro quadrado. Já pluviógrafo é um aparelho que registra continuamente de forma analógica ou digital, a chuva de um determinado local. Segundo Ayoade (2007, p. 160) o volume da chuva coletado por um dado pluviômetro em um determinado local depende de vários fatores, tais como a altura do pluviômetro acima do solo, a velocidade do vento e a taxa de evaporação. Todavia, a

3 influência destes fatores, bem como a inexperiência do observador na mensuração dos dados obtidos, podem ocasionar erros na medição da precipitação. Assim, para minimizar esses erros de medição, a Organização Meteorológica Mundial (OMM), recomenda que o aparelho mantenha-se em local livre a uma distância igual ou superior a duas vezes a altura do obstáculo mais próximo, e a área de captação da precipitação deverá estar posicionada em plano horizontal a uma altura de 1,5 m do solo, com o plano de observações nos horários de 12:00, 18:00 e 00:00 GMT (GIOVELLI, 2007; SANTOS et al, 2001). No Brasil é convencionalmente utilizado o pluviômetro Ville de Paris e o pluviógrafo do tipo Cubas Basculantes, que respectivamente contém áreas de captação entre 400 cm 2 a 2000 cm 2. A água armazenada no pluviômetro é então disposta em uma proveta calibrada, onde a leitura da lâmina precipitada é realizada. Destaca-se que há uma proveta calibrada, especificamente para cada tipo de pluviômetro utilizado. Diferentemente do anterior, a precipitação no pluviógrafo é captada em intervalos menores e registrada em um papel milimetrado a cada 10 minutos, por um período de 24 horas ou 7 dias. A diferença entre o pluviômetro e o pluviógrafo está em que o primeiro, apenas possibilita a leitura da lâmina acumulada (mm), em relação a um período de tempo, não sendo possível a estimativa da intensidade de precipitação (mm h -1 ), sendo esta apenas capaz de ser mensurada, por meio do uso de aparelhos pluviógrafos, devido ao registro das alturas precipitadas em faixas de tempo pré-conhecidas. LOCALIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO Para análise da precisão dos protótipos testados por este trabalho, foi realizada entre os meses de outubro de 2011 a março de 2012, a coleta dos dados com o apoio do 4 Batalhão de Engenharia de Construção 5 (4 BEC), situado no município de Barreiras/BA (Figura 1), onde os mesmos foram instalados próximos ao pluviômetro do tipo Paulista (Figura 2). A instalação dos protótipos neste local foi motivada, pelo fato do órgão possuir estrutura condizente aos padrões exigidos pela OMM, bem como pela disponibilização de um observador experiente no manuseio dos dados de medição diária de precipitação. 5 A UFBA e o curso de Geografia agradecem o apoio do 4º BEC na realização deste projeto, pela disponibilidade e na compreensão da importância deste, bem como ao Sgt. Francisco Bernaldo da Silva, responsável pelas leituras diárias.

4 Figura 1. Localização da estação de monitoramento (4º BEC) Autora: FONSECA, C. Data: 18/06/2012. Figura 2. Local de instalação dos pluviômetros MATERIAIS E MÉTODOS Para a confecção dos protótipos foram utilizados materiais recicláveis a partir de garrafas PET de 1 e 2 litros. A Figura 3 representa o padrão construtivo adotado para a confecção do protótipo 1. Observa-se na Figura 3a uma garrafa PET de 1L, na qual a sua

5 base foi cortada e posteriormente anexada uma régua de 20 cm em sua lateral, em que o início da régua coincide com a base da tampa (Figura 3b), correspondente a um recipiente de base afunilada (com deformação). Figura 3. Padrão construtivo do Protótipo 1 Já a Figura 4 representa o padrão construtivo adotado para a confecção do protótipo 2, que consistiu na utilização de duas garrafas PET de 2 L, na qual as garrafas foram cortadas em sua base e próximo ao afunilamento (Figura 4a), a fim da obtenção do formato de um cilindro, com o mínimo de deformações em sua laterais. Logo após uma destas garrafas proporcionou a confecção da base circular plana, para posteriormente a fixação da régua de 20 cm em sua lateral, conforme ilustra a Figura 4b. Figura 4. Padrão construtivo do Protótipo 2 Para a fixação da base circular e da régua (que serve para a medição da altura precipitada), foram utilizadas cola adesiva em massa (tipo resina epóxi) e adesivo plástico para PVC, deixando-o ao ar livre por aproximadamente 1h e 30m para secagem. Logo após, os protótipos foram calibrados no Laboratório de Geomorfologia, Conservação e Análise de Solo (LAGCAS) da UFBA/ICADS, a partir da leitura da lâmina acumulada no recipiente através de uma proveta graduada de 25 ml, e em seguida

6 utilizou-se a técnica de correlação, a partir do software Microsoft Excel, adotando-se como limiar mínimo de aceitação o coeficiente de determinação (R 2 ) a 0,70. A posteriore ambos os protótipos foram fixados a uma haste de madeira e instalados ao lado do pluviômetro do tipo Paulista, sendo este considerado como o pluviômetro de referência. A coleta dos dados foi realizada diariamente pelo observador local capacitado, por meio da leitura da lâmina precipitada registrada em centímetros e em milímetros, respectivamente nos protótipos e no pluviômetro referência, sendo então registrados pelo observador manualmente. Destaca-se que o período de monitoramento das lâminas precipitadas coincidiu com o período chuvoso no município de Barreiras/BA, que é influenciado pelo clima Tropical Aw, de acordo com a classificação climática de Köppen, com duas estações bem definidas, sendo uma chuvosa de outubro a março (verão) e outra seca de abril a setembro (inverno) (EMBRAPA, 2004 citado por ALMEIDA, 2010). Após estes procedimentos, os dados foram sistematizados em planilhas do software Microsoft Excel para a realização do teste de correlação, tendo como limiar de aceitação o coeficiente de determinação a 0,70, o que possibilitou observar qual o protótipo ajustouse melhor aos dados coletados no pluviômetro de referência. Uma vez identificado o protótipo com melhor grau de ajuste, realizou-se a inferência do intervalo de confiança da correlação ao nível de 5% de probabilidade, bem como o teste T a 5% de significância a partir módulo estatístico XLSTAT. RESULTADOS Através dos dados de calibração obtidos identifica-se no Gráfico 1, que ambos os protótipos obtiveram resultados do coeficiente de determinação (R²) acima do limiar de aceitação, tendo o protótipo 2 um melhor desempenho (R² = 0,9997), por meio do ajuste linear. Nota-se que a partir da observação dos dados de calibração do protótipo 1, há uma inflexão ou mudança na tendência dos dados deste. Esta mudança localiza-se próximo a 6 cm de altura precipitada e deve-se principalmente, à ocorrência da deformação da base afunilada da garrafa PET de 1L. Já o comportamento do ajuste de tendência do protótipo 2 apresenta resultados mais satisfatórios, em função do formato da garrafa PET de 2L, que aproximou-se a de um cilíndrico, o que minimizou o erro de dados armazenados.

7 Precipitação (mm) Altura da lâmina (cm) y = 0,0173x + 4,3568 R² = 0,9953 y = 0,0125x - 0,081 R² = 0, Volume armazenado (ml) Dados do Protótipo 2 Dados do Protótipo 1 Linear (Dados do Protótipo 2) Linear (Dados do Protótipo 1) Gráfico 1. Resultado da calibração dos protótipos 1 e 2 Vale ressaltar, que essa diferença no formato da garrafa implica, necessariamente, na diferenciação de volume de precipitação armazenada entre os protótipos, tendo sido obtido para o protótipo 1 um armazenamento máximo próximo a 900 ml, sendo que o protótipo 2 armazena um volume próximo de ml. Após a sistematização de dados coletados em campo, resultados dos testes de correlação demonstram que o grau de ajuste alcançado pelo protótipo 1 foi de 0,6394, com o melhor ajuste obtido pelo modelo exponencial (Gráfico 2), enquanto o protótipo 2 alcançou uma correlação de 0,9203, com o melhor ajuste obtido pelo modelo linear (Gráfico 3) y = 1,3861e 0,4278x R² = 0, ,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 Altura precipitada (cm) Precipitação Plu. 1 Ajuste de tendência Gráfico 2. Correlação entre os dados do protótipo 1 e pluviômetro de referência

8 Precipitação (mm) y = 17,958x + 0,842 R² = 0, ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 Altura precipitada (cm) Precipitação Plu. 2 Ajuste de tendência Gráfico 3. Correlação entre os dados do protótipo 2 e pluviômetro de referência Neste sentido, percebe-se que os dados do protótipo 2, devido ao seu formato próximo de um cilindro e com menores deformações em suas paredes laterais, o torna mais eficiente se comparado ao protótipo 1, que apresenta deformações em sua parte inferior (afunilamento), o que compromete a leitura da lâmina precipitada, tendo como consequência a superestimativa dos valores. A análise descritiva dos dados coletados pelo protótipo 2, bem como pelo pluviômetro de referência pode ser observada pela Tabela 1, nota-se que não houve diferença na média calculada, enquanto há um menor desvio padrão para os dados do protótipo 2 (25,2 mm). Quanto à estimativa dos dados máximos e mínimos, o protótipo 2 superestimou a lâmina máxima em 2,9% e a lâmina mínima em 300%. Tabela 1. Variações encontradas entre pluviômetro referência e protótipo 2 Parâmetros Exército (a) Protótipo 2 (b) Variação (b-a) mm mm % Média 22,4 22,4 0,0 Desvio padrão 26,3 25,2-4,2 Máximo 95,0 97,8 + 2,9 Mínimo 0,2 0,8 +300,0 Ressalta-se, porém, que adota-se como a precisão de leitura do protótipo 2 o valor da metade da menor variação na escala, conforme Gallas (1998), ou seja, como utiliza-se a régua de 20 cm graduada a cada milímetro para leitura da lâmina, adota-se o valor de 0,5 mm, como o valor de medida mínima configurando-se o limiar de 1,7 mm.

9 Desvio entre Pes x Pobs (mm) Precipitação observada (mm) Neste sentido, a definição dos intervalos de confiança da correlação estatística entre o pluviômetro de referência e o protótipo 2, por meio do ajuste linear ao nível de 5% de probabilidade, pode ser visualizada por meio do Gráfico 4. Os valores do intervalo superior e inferior foram respectivamente, 28,9 e 15,9 mm, ou seja, com 95% de probabilidade as lâminas precipitadas estiveram entre estes valores, com uma amplitude de 13,1 mm Precipitação estimada (mm) Ativas Modelo Int. de conf. (Obs. 95%) Gráfico 4. Intervalo de confiança (95%) entre protótipo 2 e pluviômetro de referência Já no Gráfico 5 evidenciam-se os desvios obtidos com relação à precipitação pelo pluviômetro de referência e o protótipo Ocorrências de precipitação Desvios entre lâminas precipitadas Média dos desvios positivos Média dos desvios negativos Média + DP (positivo) Média - DP (negativo) Gráfico 5. Desvios obtidos entre a precipitação estimada e observada

10 Nota-se que das 57 ocorrências de precipitação no período entre outubro de 2011 a março de 2012, 30 ocorrências (52,6% e média de 4,5 mm) estiveram acima da média do período, que foi de 22,4 mm. Por outro lado, 27 ocorrências (47,4% e média de -5,1 mm) dos casos estiveram abaixo da média do período. Na Tabela 2 visualizam-se os valores percentuais de faixas de desvios em relação à média do período. Observa-se neste caso, que 84% das precipitações registradas pelo protótipo 2, no período de monitoramento, estiveram dentro da faixa de variação (positiva e negativa) de 10 mm. Tabela 2. Variações encontradas entre a precipitação estimada e observada Variações Ocorrências % -5 a a < -5 e > +5 a a < -10 e > +10 a < -15 e > Total Outro ponto de destaque do Gráfico 5 é com relação aos desvios padrões, das faixas de variações positiva e negativa. O desvio padrão da faixa positiva de variação foi de 5,0 mm, enquanto da faixa negativa foi de -6,4 mm. Isto indica que há uma maior variação dos dados quanto à subestimativa de lâminas, o que pode refletir em erros de inferência ou em erros de coleta, devido à evaporação da água armazenada no protótipo. Quanto à acurácia da lâmina estimada pelo protótipo 2, utilizou-se o teste T ao nível de 5% de significância, sendo o resultado expresso na Tabela 3. Como o p-valor calculado é maior do que o nível de significância a 5% (alfa), não rejeita-se a hipótese H0 (diferença das médias é igual a 0). Deste modo, o risco de rejeição é igual a 100%, sendo o resultado significativo, ou seja, o protótipo 2 consegue explicar de maneira satisfatória a precipitação no pluviômetro de referência, com 95% de probabilidade associado ao intervalo de confiança de 9,6 mm, configurando-se este valor, ao erro de acurácia. Tabela 3. Resultado do teste T para a estimativa de lâmina precipitada pelo protótipo 2 Parâmetros Valores Diferença entre médias 0,000 t (Valor observado) 0,000 t (Valor crítico) 1,981 GL 112 p-valor (bilateral) 1,000 alfa 0,05

11 CONSIDERAÇÕES FINAIS Após seis meses de monitoramento dos dados de precipitação coletados a partir do pluviômetro de referência do tipo Paulista e dos protótipos 1 e 2, constatou-se que o protótipo de pluviômetro 2 é mais eficiente se comparado ao protótipo 1, devido ao formato cilíndrico da garrafa e por apresentar uma minimização de deformações em suas paredes laterais. As análises realizadas por meio de correlações e do teste T apontam que os dados do protótipo 2, apresentam um grau de ajuste satisfatório na qual, foi constatado que este consegue explicar a precipitação que ocorre no pluviômetro de referência com 95% de probabilidade. No entanto, apesar de obter um ajuste considerável, o protótipo 2 ainda está sujeito a algumas falhas vinculadas a evaporação, vazamento do pluviômetro, assim como possíveis erros de observação e coleta de dados. Com isso, recomenda-se que para um melhor resultado dos dados, o observador seja cuidadoso no que tange à verificação do estado do protótipo, bem como uma atenciosa leitura dos dados. Assim, este trabalho proporciona à população o conhecimento do uso de material reciclável do tipo garrafa PET, no monitoramento diário de precipitação, além de estimar a aplicabilidade do aparelho confeccionado para fins didático-pedagógicos futuros. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AYOADE, J. O. Introdução à climatologia para os trópicos. 12ª ed.- Rio de Janeiro: Bertrand Brasil, EMBRAPA. Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária. Cerrado: matas de galerias. In: ALMEIDA, R. S. Mudanças no uso e cobertura do solo na bacia do rio de Ondas, no período de 1984 a Monografia (Licenciatura em Geografia). Barreiras: Universidade Federal da Bahia, GALLAS, M. R. Incerteza de medição. Textos básicos de aulas. Disponível em: < Acesso em: 29/06/2012. GIOVELLI, I.A. Sitio de Estação Meteorológica. Disponível em: < >. Acesso em: 22/06/2012. MOL, J. M. D. Estimativa de precipitação por meio de sensoriamento remoto. Dissertação (Mestrado em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos). Faculdade de Tecnologia da Universidade de Brasília/DF, SANTOS, I.; FILL, H. D.; SUGAI, M. R. v. B.; BUBA, H.; KISHI, R. T.; MARONE, E. e LAUTERT, L. F. Hidrometria Aplicada. Curitiba: Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento, 372 p, TORRES, F. T. P; MACHADO, P. J. O. Introdução à climatologia. São Paulo: Ed. Cengage Learning, 2011.