Construção de Curvas Chave dos Córregos dos Pires e Santo Antônio no Município de Jahu-SP Visando o Abastecimento Público

Transcrição

1 Construção de Curvas Chave dos Córregos dos Pires e Santo Antônio no Município de Jahu-SP Visando o Abastecimento Público Dalva Maria de Castro VITTI, 1 Rafael Brasílio FERRAREGI, 2 Bruno Bernardo dos SANTOS, 3 Frederico Fábio MAUAD 4 Resumo A gestão dos recursos hídricos fica comprometida devido a ausência de dados hidrológicos que permitam a estimativa da disponibilidade hídrica. A curva chave constitui-se numa importante ferramenta para gestão de recursos hídricos e projetos hidráulicos, pois permite conhecer as principais vazões de um curso d água. A construção da curva chave requer a implantação de uma estação fluviométrica, monitoramento contínuo, processamento de dados para determinação de uma equação que melhor relacione a altura da lâmina d água e respectiva vazão e quando necessário, a extrapolação das vazões mínimas e máximas por métodos manuais ou matemáticos. O presente artigo teve por objetivo determinar as curvas chaves das bacias do Córrego dos Pires e Santo Antônio no município de Jahu, sendo o último importante manancial de abastecimento de água. Para tanto, foram instaladas as estações fluviométricas do tipo régua graduada e levantadas periodicamente as vazões e alturas das lâminas d água. Os dados foram ajustados pelo método da extrapolação logarítmica. Palavras-chave: monitoramento hidrológico, recursos hídricos, vazão, curva chave, hidrologia. 1. Introdução O crescimento da cidade de JAHU, assim como outras cidades médias, reflete no aumento da demanda urbana por água tratata. O uso intensivo do solo e as mudanças das práticas agrícolas cada vez mais mecanizadas nas microbacias rurais à montante das captações de água têm alterado 1. Professora da Faculdade de Tecnologia de Jahu e doutoranda em Ciências da Engenharia Ambiental CRHEA/EESC/USP dalva.vitti@fatec.sp.gov.br. 2. Graduando em Tecnologia de Meio Ambiente e Recursos Hídricos da Faculdade de Tecnologia de Jahu rafaelferraregi@gmail.com. 3. Mestrando em Ciências da Engenharia Ambiental CRHEA/EESC/USP bbernardo49@gmail.com. 4. Professor Doutor da Universidade de São Paulo; programa de pós-graduação em Ciências da Engenharia Ambiental CRHEA/EESC/USP mauadffm@sc.usp.br. 48

2 substancialmente as características dos mananciais, em alguns casos percebese o esgotamento de alguns tributários do rio Jaú. Na bacia do córrego Santo Antônio, bacia em processo de urbanização, tem nos períodos de estiagem, maio a outubro, suas vazões derivadas integralmente para abastecimento público e o assoreamento das nascentes têm comprometido o abastecimento público mesmo quando não há escassez de água. O Córrego dos Pires, bacia com maior uso urbano, apresenta suas margens e nascentes desprovidas de proteção ciliar adequada que associada a intensiva exploração imobiliária dos últimos anos, os problemas ambientais, como assoreamento, inundação, escorregamento das margens e degradação de faixas ribeirinhas e diminuição da capacidade útil das barragens de contenção, ficam evidenciados. Além desses, depósitos clandestinos de resíduos sólidos de diversas origens comprometem a qualidade da água. A disponibilidade hídrica é a informação básica de apoio à tomada de decisão sobre a outorga de direito de uso dos recursos hídricos, que tem como objetivos assegurar o controle quantitativo e qualitativo dos usos da água e o efetivo exercício dos direitos de acesso à água, conforme disposto no artigo 11 da Lei Federal 9433 (Brasil, 1997). Segundo Silveira & Silveira (2001), as vazões mínimas merecem especial atenção em estudos de disponibilidade hídrica, pois é em períodos de ocorrência destas vazões que a disponibilidade de água é considerada crítica para atender todas as demandas, principalmente nos rios que preservam as condições naturais, ou seja, que não possuem reservatórios de acumulação. 2. Objetivos Este trabalho teve como principal objetivo determinar as curvas chaves dos córregos dos Pires e Santo Antônio, no município de Jahu; e objetivos específicos; implantar as estações fluviométricas, monitorar as alturas da lâminas d água e as vazões na seção de estudo de forma a ser analisada a disponibilidade em relação ao abastecimento urbano da cidade de Jahu. 3. Escassez de Água Para Tundisi (2005) a escassez de água é o resultado do desequilíbrio entre a quantidade de água retirada para irrigação, abastecimento urbano e uso industrial e a quantidade de água reposta pela precipitação e a recarga. Esse desequilíbrio produz problemas ao gerenciamento dos recursos hídricos, demandando dos municípios investimentos em tecnologias e alteração da legislação para minimização dos impactos e otimização dos usos múltiplos. As atividades antrópicas e seus diversos usos do solo produzem diferentes ameaças e problemas para disponibilidade da água e causam riscos 49

3 elevados de escassez. Portanto, perceber quais serviços do sistema aquático, seja ele, rio, lago, represa natural ou não, encontram-se vulneráveis torna-se importante para representar uma valoração adequada. Essa valoração é necessária para estimar custos de tratamento e recuperação desses sistemas (TUNDISI, 2005). De acordo com o mesmo autor, o desmatamento e as formas de ocupação do solo inadequadas modificam padrões de drenagem, inibem a recarga natural dos aqüíferos, aumentam a sedimentação alterando a qualidade e a quantidade da água, comprometem a pesca, biodiversidade e controle de enchentes. Também a construção de diques e canais destrói a conexão do rio com as áreas inundáveis, alterando o fluxo dos rios e o transporte de nutrientes e sedimentos. A migração e reprodução de peixes, a fertilidade natural das várzeas, os controles de enchentes e a pesca comercial e esportiva comprometidas refletem na economia local. REZENDE, 2009 realizou análise ambiental fluviológica da Bacia do Rio Jaú comparando-o aos rios Jacaré-Pepira, Jacaré-Guaçu e Boa Esperança, todos da 13.a UGRHI Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos e constatou que apesar das semelhanças climáticas, o Rio Jaú apresentou as menores vazões mínimas específicas, as maiores vazões máximas específicas e menores vazões críticas de permanência para o período analisado, sendo o único rio a atingir a vazão crítica de estiagem pelo Método de Regionalização Hidrológica do Estado de São Paulo. Concluindo que esses picos estão diretamente relacionados ao baixo índice de cobertura vegetal natural e ao elevado grau de comprometimento dos usos consuntivos da água em relação a disponibilidade. A mudança na dinâmica fluvial observada como consequência das ações antrópicas é caracterizada por uma série de observações temporais do comportamento da vazão. Para tanto, o método da análise temporal de curvas de descarga em seções transversais curva chave é empregado para se obter de forma rápida a vazão correspondente a um determinado nível de água do rio e para avaliar a dinâmica fluvial. Magalhães Júnior (2007), aponta como principais paradigmas a serem transpostos para efetiva consolidação da Lei Federal 9433/1997 Política Nacional de Recursos Hídricos, a escassez de dados, de recursos humanos e de tecnologia, problemas de ordem institucional e a própria complexidade dos recursos hídricos. No estado de São Paulo, as diretrizes que norteiam o planejamento de uso dos recursos hídricos são detalhadas na Lei 7663/1991 Política Estadual de Recursos Hídricos. Além da escassez pela queda de oferta de água, há a escassez pela perda da qualidade da água. Na maioria das bacias brasileiras, onde 50

4 predominam a exploração agrícola, os sedimentos representam um dos maiores poluentes da água, pois além do aumento significativo da turbidez, servem como catalisadores, carreadores e como agentes fixadores para outros agentes poluidores (CARVALHO et. al.2000). 4. Estação Fluviométrica A estação fluviométrica consiste no instrumental instalado numa dada seção do curso d água que forneça a altura da lâmina d água, podendo ser constituída por conjunto de réguas linimétricas e ou linígrafos. Na primeira, as réguas linimétricas são fixadas na seção transversal do leito do curso d agua de modo a atender as alturas correspondentes as vazões mínima e máxima. Os linígrafos apresentam a vantagem de dispensar o observador, pois registram automaticamente as variações de nível e ainda podem dispor de sistema telemétrico para envio das informações. Para construir uma estação fluviométrica, primeiramente é necessário realizar um estudo que vise buscar a melhor localização, que muitas vezes, combinam atributos que transcendem as características geométricas da calha do rio, como por exemplo, o acesso à estação e existência de um observador nas proximidades, estar protegida da ação de vândalos (CHEVALLIER, 2004). A seção transversal definida como seção de medição de vazões deve apresentar características hidráulicas estáveis, como por exemplo, pouca suscetibilidade a erosão de margens e assoreamento a fim de não comprometer a área da seção transversal; não proximidade de singularidades (pontes, tomadas d água), apresentarem escoamento uniforme e aproximadamente laminar, e demonstrar ao longo das observações uma relação unívoca entre cotas linimétricas e vazões (CHEVALLIER, 2004). A seção transversal do curso d água onde é estabelecida a estação fluviométrica é caraterizada através de nivelamento topográfico e as vazões são obtidas através da medição das velocidades com emprego de equipamento que relaciona o número de giros de uma hélice a uma equação definida pelo fabricante, o molinete hidrométrico. Uma seção transversal com boa geometria garante que os dados obtidos não produzam o chamado efeito de laço na curva chave, caracterizado pela relação biunívoca de vazão e cota, ou seja, para uma mesma altura de lâmina d água há pelo menos duas vazões possíveis. 5. Curva Chave A medição da vazão hidrométrica é todo processo empírico utilizado para determinar a vazão de um curso d água. A vazão ou descarga de um rio 51

5 é o volume que passa através de uma seção transversal na unidade de tempo, (SANTOS et.al., 2001). A curva chave é um gráfico representado no plano cartesiano que relaciona duas grandezas hidráulicas de um curso d água: a vazão plotada no eixo das abscissas e a altura da lâmina d água (cotas) no eixo das ordenadas. É obtida a partir de monitoramento de uma estação fluviométrica, onde são observadas as cotas, e a medição das velocidades na seção transversal de um curso d água. Deve-se considerar que a curva-chave de um curso d água pode sofrer alterações com o tempo, dependendo do material do leito, visto que a curva representa a relação entre a vazão e a cota do escoamento levando em conta as características hidráulicas e geométricas da seção transversal deste curso. Paiva et al. (2008) indicam que no estabelecimento da curva-chave existem incertezas associadas ao processo de medição da vazão. Elas são devidas à determinação da área da seção transversal, da velocidade e da vazão. Foi demonstrado que quanto maior o número de verticais utilizadas em uma seção fluviométrica, menor será o erro da estimativa da área, resultando em menor erro no cálculo da vazão. As observações de cotas da lâmina d agua na estação fluviométrica gera um cotagrama, as medições de vazão no tempo, produzem o fluviograma e a curva chave é um produto secundário gerado a partir dos dois primeiros (SEFIONE, 2002; JACCON & CUDO, 1989). Pioltine et. al. (2009) compararam dois métodos de determinação da curva chave, por regressão numérica a partir do software Excel e a fórmula de Manning com um software gerador de curva chave, ambos apresentaram resultados satisfatórios. Porém, ressaltam que é necessário trabalhar com um coeficiente de rugosidade variável na fórmula de Manning para cotas mais elevadas. Uma vez estabelecida a equação que descreve o comportamento da vazão em função da cota, faz-se necessário extrapolar os dados para cotas que produzam vazões mínimas e máximas. Para extrapolação das vazões máximas, Sefione, 2002 recomenda o uso do método de Stevens e Manning Log até a cota onde as características da seção transversal sejam semelhantes. 6. Materiais e Método A bacia hidrográfica do Córrego dos Pires, localiza-se entre as coordenadas UTM 750 km a 757 km E e 7533 km a 7538 km N, no fuso UTM 22 Sistema de Referência Córrego Alegre, na porção leste município de Jahu- SP, tem área total de 15,62 Km 2. Enquanto que a bacia hidrográfica do córrego 52

6 Santo Antônio localiza-se entre as coordenadas UTM 753 km a 764 km E e 7530 km a 7536 km N, no fuso UTM 22 do Sistema de Referência Córrego Alegre, perfazendo área total de 21,20 Km 2. Ambas são afluentes na margem direita do Rio Jaú o qual pertence à Bacia do Médio Tietê, Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos n o 13 Tietê-Jacaré. O uso urbano é predominante na bacia do córrego dos Pires, enquanto que na bacia hidrográfica do Córrego Santo Antônio a maior parte da área é ocupada pelo uso agrícola, principalmente pela cultura da cana de açúcar. Porém, em ambas é crescente a expansão da área urbana nos últimos anos, Figuras 1 e 2. O clima da região de Jahu é do tipo Cwa segundo classificação de Köppen, com inverno seco e verão chuvoso, temperaturas mínimas de 12 o C e máximas de 37 o C, e a precipitação média anual de 1500 mm. Figura 1 Bacia hidrográfica do Córrego dos Pires, uso do solo e localização da estação fluviométrica. Fonte: Os autores. 53

7 Figura 2 Bacia hidrográfica do Córrego Santo Antônio, uso do solo e localização da estação fluviométrica. Fonte: Os autores. 54

8 O clima da região de Jahu é do tipo Cwa segundo classificação de Köppen, com inverno seco e verão chuvoso, temperaturas mínimas de 12 o C e máximas de 37 o C, e a precipitação média anual de 1500 mm. Em ambos os córregos foram levantadas várias seções transversais para implantação da estação fluviométrica, a fim de identificar a que melhor atendia às vazões mínimas e máximas. Assim, após vários ensaios, em 2012 foram instaladas a estação fluviométrica do córrego dos Pires, no Jardim Cila de Lucio Bauab e a estação do córrego Santo Antônio próximo à ponte que dá acesso à Fazenda Santo Antônio dos Ypês, as quais vem sendo monitoradas desde agosto 2012, Figuras 3 e 4. As seções transversais dos córregos dos Pires e Santo Antônio foram definidas por topobatimetria, empregando teodolito mecânico modelo THEO 015 B da ZEISS. E, as vazões através da medição e integração das velocidades, as quais são levantadas a vau com emprego do molinete hidrométrico modelo 0898 HC da fabricante Hidromec, cujas velocidades são obtidas através da equação (1) e coletadas conforme a largura e profundidade do curso d água como descrito por Santos et al. (2001), Tabelas 1 e 2. v = 0,2565. N +0,0148 (1) em que N é igual ao número de rotações por segundo da hélice do molinete hidrométrico. Figura 3 Instalação da régua linimétrica no córrego dos Pires.Fonte: Os autores. 55

9 Figura 4 Régua linimétrica instalada no córrego Santo Antônio. Fonte: Os autores. Tabela 1 Distribuição das verticais de observações da velocidade em função da largura do rio. Largura do rio (m) Distância entre verticais (m) 3 0, , , , , , , ,0 > ,0 Fonte: Santos,

10 Tabela 2 Regras para posicionamento do molinete na vertical conforme a profundidade e cálculo da velocidade média na vertical. Profundidade (m) Posição do molinete na vertical em relação ao nível d água V m (m/s) 0,15-0,60 0,6 h V 0,60 1,20 0,2-0,8 h (V 1 +V 2 )/2 1,20 2,00 0,2-0,6 e 0,8 h (V 1 + 2V 2 + V 3 )/4 2,0 4,00 0,2 0,4 0,6 e 0,8 h [V (V 2 + V 3 ) + V 4 ]/6 > 4,00 Fonte: Santos, Superfície - 0,2 0,4 0,6 0,8 e fundo [V sup + 2 (V 1 + V 2 + V 3 + V 4 ) + V fundo ] / 10 O ajuste aos dados de cota e vazão medidos foi realizado utilizando o método da extrapolação logarítmica conforme descrito em Santos et al. (2001), equação 2. Q ) n = a( h ho (2) em que Q é a descarga líquida, em um dado instante; h é o nível do curso de água correspondente à Q; h 0 é o nível para o qual a vazão é nula; a e n são parâmetros de ajuste específicos da seção fluviométrica de interesse, determinados utilizando-se um modelo de otimização não linear cuja função objetivo foi minimizar a diferença quadrada das vazões observadas e as calculadas, considerando-se valores iniciais dos parâmetros a, n e h 0, consideradas variáveis, conforme equação 3. Min 2 ( Q cal Qobs ) (3) Sendo Q cal a vazão calculada para a seção analisada e Q obs a vazão observada no seção analisada. A variável h 0 é restrita a um valor menor ou igual ao valor mínimo do nível da água (h min ) da série histórica dos dados utilizados, conforme equação 4. h 0 h mín (4) A ferramenta Solver do MS Excel foi utilizada para resolver o problema não linear. 57

11 7. Resultados A seguir são apresentadas as observações realizadas nas estações fluviométricas dos córregos dos Pires, a curva chave e respectiva equação, Tabela 3; Figura 5 e equação 5. Tabela 3 Relação Cota x Vazão medida no Córrego dos Pires. Data H (m) Q (m 3 /s) 17/08/2012 0,170 0,091 23/08/2012 0,150 0,087 27/08/2012 0,165 0,094 04/09/2012 0,180 0,132 11/09/2012 0,155 0,090 19/09/2012 0,140 0,085 08/10/2012 0,100 0,063 17/10/2012 0,110 0,072 06/11/2012 0,120 0,091 02/04/2013 0,570 0,422 Figura 5 Curva Chave do Córrego dos Pires. Q = 0,7677 (h + 0,1217) 1,6227 (5) 58

12 Na equação 5, curva chave do córrego dos Pires, tem-se os seguintes parâmetros a = 0,7677; h 0 = 0,1217 e n = 1,6227 ajustados pela ferramenta solver do Excel. A Tabela 4, Figura 6 e equação 6, mostram as observações realizadas no Córrego Santo Antônio respectiva curva chave e seu equacionamento. Tabela 4 Relação Cota x Vazão medida na estação fluviométrica do Córrego do Santo Antônio. Data H (m) Q (m 3 /s) 13/08/2012 0,360 0,170 20/08/2012 0,350 0,145 27/08/2012 0,345 0,143 11/09/2012 0,330 0,104 19/09/2012 0,420 0,349 06/11/2012 0,320 0,098 11/03/2013 0,450 0,424 02/04/2013 0,460 0,472 08/10/2013 0,315 0,086 17/10/2013 0,370 0,190 Figura 6 Curva Chave do Córrego Santo Antônio. Q = 9,80 (h + 0,1586) 2,5346 (6) 59

13 Na equação 6, curva chave do córrego Santo Antônio, os parâmetros ajustados pela ferramenta Solver foram os seguintes a = 9,80; h 0 = 0,1586 e n = 2,5346. A aplicação dessas equações possibilita a determinação das vazões nas seções de interesse para outras alturas de nível d água, cabendo ressaltar que variações na rugosidade e características geométricas da seção podem afetar substancialmente as vazões observadas e por conseqüência, aumentar a discrepância entre as vazões calculadas pela curva chave. 8. Conclusão Este trabalho apresenta os primeiros dados hidrométricos observados nas estações fluviométricas dos córregos Pires e Santo Antônio, afluentes do rio Jaú, no município de Jaú, os quais permitiram construir as curvas chaves preliminares desses cursos d água. A partir das equações obtidas é possível extrapolar as vazões mínimas e máximas, sendo dados importantes para a gestão dos usos da água na bacia hidrográfica e aplicação em projetos hidráulicos. Cabe ressaltar que com a continuidade das observações possibilitam melhores ajustes às equações apresentadas. 9. Referências Bibliográficas BRASIL. Lei no 9.433, de 8 de janeiro de Política Nacional de Recursos Hídricos. Brasília: MMA/SRH, CHEVALIER, P. Aquisição e processamento de dados, in. TUCCI C.E.M., Hidrologia ciência e aplicação, Porto Alegre: UFRGS, ABRH, p JACCON, G.; CUDO, K.J. Curva Chave: Análise e Traçado: Brasília, DNAEE. 273 p MAGALHÃES JR, A. P. Indicadores Ambientais e Recursos Hídricos realidade e perspectivas para o Brasil a partir da experiência francesa. Rio de Janeiro. Bertland. Brasil ISBN PAIVA, E.M.D.; OPPA, L.F.; PAIVA, J.B.D.; MARCON, I.R. (2008) Erros na medição da vazão: efeitos na curva chave, in anais XXXI Congreso Interamericano Aidis, Santiago, Chile, p. 1-8, PIOLTINE, V ; MATOS, A. J. S. ; BARBOSA, A. A. ; MAUAD, F. F. ; ESTIGONI, M. V. Comparação entre Metodologias para Construção da curva-chave. In: XVIII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, 2009, Campo Grande. XVIII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, REZENDE, J. H. Análise Fluviológica e Ambiental da Bacia Hidrográfica do Rio Jaú - SP São Carlos - UFSCar, Tese (Doutorado) Universidade Federal de São Carlos, 152 f., CDD: (20a) SANTOS, I., FILL, H.D., SUGAI, M. V. B, BUBA, H. KISHI, R. T., MARONE, E. LAUTERT, L. F. Hidrometria Aplicada. Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento. Curitiba, PR. LACTEC, ISBN

14 SÃO PAULO, Lei 7663 de 30 de dezembro de Política Estadual de Recursos Hídricos. São Paulo, SMA. SEFIONE, A. L. Estudo Comparativo de Extrapolação Superior de Curvas Chave. Dissertação de Mestrado. UFRGS. Instituto de Pesquisas Hidráulicas. Porto Alegre, p. SILVEIRA, G. L. da; SILVA, C. E. da; IRION, C. A. O.; CRUZ, J. C.; RETZ, E. F. Balanço de Cargas Poluidoras pelo Monitoramento Quali-quantitativo dos Recursos Hídricos em Pequena Bacia Hidrográfica. In: Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v.8, n p TUNDISI, J. G.. Água no século XXI enfrentando a escassez, RIMA/IEE, São Carlos,