REGIONALIZAÇÃO DE VAZÕES DE PERMANÊNCIA: ESTUDO APLICADO NA REGIÃO HIDROGRÁFICA DO URUGUAI

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1 REGIONALIZAÇÃO DE VAZÕES DE PERMANÊNCIA: ESTUDO APLICADO NA REGIÃO HIDROGRÁFICA DO URUGUAI Luis Adriel Pereira**; Simone Fior 1 ; Vera Maria Cartana Fernandes 1 ; Luisa Dametto Vanz 3 ; Vinicius Scortegagna 4 ; Matheus Ferreira 5 ; Anelise Sertoli Lopes Gil 6; Igor Rezende 7 ; Paula Missio Camargo 8 ; Lucas Dias 9 ; Resumo - A escassez de informações fluviométricas, tem resultado em grande limitação para se representar o comportamento dos recursos hídricos em estudos de bacias hidrográficas, principalmente das vazões mínimas. Uma alternativa muito utilizada em estudos hidrológicos consiste na regionalização das vazões que representam o comportamento hídrico na maior parte do tempo, denominadas de vazões de permanência.neste sentido, o objetivo deste estudo foi regionalizar as vazões com 90% de permanência no tempo (Q90) nas bacias da Região Hidrográfica do Uruguai, utilizando o programa SisCoRV. Para tanto, foram utilizadas as estações fluviométricas disponíveis sistema Hidroweb pela Agência Nacional de Águas (ANA). A metodologia aplicada utilizou os dados de forma não homogênea e considerou o método da série toda de dados disponíveis, obtendo-se uma única Q90 para cada estação, considerando um período de dados não homogêneo. Foram utilizados modelos matemáticos para regionalizar as vazões Q90 com diferentes variáveis explicativas, de modo a identificar regiões com comportamento hidrológico homogêneo através do ajuste de estatísticas objetivas.são apresentados nesse artigo os resultadosobtidos da Região Hidrologicamente Homogênea RHH-R2.Conclui-se que o método utilizando os dados de forma não homogênea apresentou resultados satisfatórios e, portanto, possíveis de aplicação, desde que consideradas as peculiaridades apresentadas neste trabalho. Palavras-chaves - Regionalização; vazão de permanência; SisCoRV. STAY FLOW OF REGIONALIZATION: STUDY APPLIED TO RIVER REGION OF URUGUAY Abstracta The scarcity of information fluviometric associated with temporal and spatial inconsistency of available historical series, has resulted in major limitation to represent the behavior of water resources in river basins studies, mainly of minimum flows. An alternative widely used in hydrological studies is the regionalization of the flows that represent the behavior of water in most of the time, called stream flow permanence. In this sense, the objective of this study was to regionalize the flow with 90% retention time (Q90) of the Regional Hydrographic basins of Uruguay, using the program SisCoRV. For this, we used the system Hidroweb gauged stations available by the National Water Agency (ANA). The methodology utilized not homogeneous and considered the method of any number of data available, yielding a single Q90 for each station, considering a period of nonhomogeneous data. We used mathematical models to regionalize the flows Q90 with different explanatory variables in order to identify regions with hydrology homogeneous by adjusting objective statistics. As a result, we obtained five hydrologically homogeneous regions, however it was analyzed only a single RHH-R2. It is concluded that the 1 Afiliação: Simone Fiori, sfiori@upf.br 2 Afiliação:Vera Maria Cartana Fernandes, cartana@upf.br 3 Afilhação:LuisaVanz, luisa_dvanz@hotmail.com 4 Afilhação: Vinicius Scortegagna, vinicius.enge@gmail.com 5 Afilhação: Matheus Ferreira, matheusferreira@upf.br 6 Afilhação: Anelise Sertoli Lopes Gil, anelise.gil@upf.br 7 Afilhação: Paula Missio Camargo, paulacamargo@alunos.upf.br 8 Afilhação: Igor Rezende, igormdrezende@gmail.com 9 Afilhação: Lucas Dias, lucasdias@upf.br * Autor Correspondente: Luiz Adriel Pereira, 69036@upf.br XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 method using data not homogeneous satisfactory results, and therefore possible implementation, since the peculiarities considered reported here. Key-word -Regionalization; flowpermanence; SisCoRV. 1. INTRODUÇÃO A crescente demanda de água, tanto para usos consultivos como irrigação agrícola, abastecimento público e industrial, quanto usos não consultivos como os aproveitamentos hidrelétricos, tem ocasionado a ocorrência de conflitos pelo direito de uso das águas, tornando necessário o conhecimento da disponibilidade hídrica no âmbito da bacia hidrográfica. Isso tem se constituído como parte fundamental para o planejamento dos usos múltiplos das águas e ao mesmo tempo, um grande desafio para os gestores dos recursos hídricos. No entanto, a escassez de informações fluviométricas, associada à inconsistência temporal e espacial das séries históricas disponíveis, tem resultado em grande limitação para se representar o comportamento hídrico. Neste contexto, a regionalização hidrológica pode servir como ferramenta imprescindível para planejamento e gestão de recursos hídricos, uma vez que tem por finalidade suprir a deficiência de dados hidrológicos através da otimização dos dados fluviométricos disponíveis. Uma das principais aplicações da regionalização de vazões em estudos voltados a gestão de recursos hídricos se refere a estimativa das vazões mínimas que possam ser utilizadas como vazões de referência. De acordo com Sousa (2009), a vazão de referência é baseada usualmente na vazão mínima com 7 dias de duração e 10 anos de período de retorno (Q7,10) ou na vazão mínima com 90% ou 95% de permanência no tempo (Q90 e Q95, respectivamente), a qual pode ser obtida a partir da curva de permanência das vazões naturais observadas em uma estação fluviométrica. A curva de permanência, também denominada curva de duração, é atualmente a ferramenta mais empregada para se determinar as disponibilidades hídricas em uma bacia, basicamente em função da sua representatividade dos períodos de estiagens. Cruz (2001). Com base nas considerações descritas acima e, mais especificamente, na necessidade de elaboração de estudos a nível de bacia hidrográfica ainda não realizados na Região do Uruguai, este estudo visa fornecer subsídios técnicos aos gestores de recursos hídricos, bem como contribuir para o aprimoramento dos estudos hidrológicos no RS. Sendo assim, a regionalização das informações hidrológicas utilizadas no estudo tem por finalidade identificar as Regiões Hidrologicamente Homogêneas que constituem a Região Hidrográfica do Uruguai (RHU). Para o processamento dos dados hidrológicos optou-se pela utilização de dois programas, o SisCAH Sistema Computacional para Análises Hidrológicas e o SisCoRV Sistema Computacional para Regionalização de Vazões. No estudo, estes programas foram considerados como um programa único, haja vista que o SisCAH apresenta-se incluso como um módulo dentro da interface do SisCoRV. A escolha do programa teve como premissa básica a praticidade e rapidez com que os resultados podem ser obtidos e também o fato de que estudos hidrológicos recentes já fizeram uso deste mesmo programa, obtendo-se resultados considerados condizentes com os objetivos definidos. São apresentados nesse artigo os resultados obtidos da Região Hidrologicamente Homogênea RHH-R2. 2. METODOLOGIA A Região Hidrográfica do Uruguai, tem grande importância para o país em função das atividades agroindustriais desenvolvidas e pelo seu potencial hidrelétrico. O rio Uruguai possui XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 2.200 quilômetros de extensão e se origina da confluência dos rios Pelotas e Canoas. Nesse trecho, o rio assume a direção Leste Oeste, dividindo os estados do Rio Grande do Sul e Santa Catarina. A bacia hidrográfica possui, em território brasileiro, km² de área, o equivalente a 2,0% do território nacional. Para a realização do estudo foram utilizados dados fluviométricos e pluviométricos pertencentes à rede hidrometeorológica da ANA. Inicialmente, foram coletados e sistematizados os dados fluviométricos disponíveis para as bacias hidrográficas da Região Hidrográfica do Uruguai no Estado do Rio Grande do Sul, obtidos a partir do banco de dados Hidroweb da ANA. Este levantamento preliminar identificou 65 estações com dados disponíveis. Após a obtenção dos dados, elaborou-se uma matriz de dados das estações fluviométricas, objetivando a caracterização dos períodos de dados disponíveis em todas as estações. A partir disto, a definição das estações fluviométricas efetivamente utilizadas no estudo baseou-se na amplitude das suas séries históricas, onde se considerou para o estudo, as estações com pelo menos cinco anos de registros completos, ainda que algumas apresentassem muitas falhas e/ou diferentes períodos de observação, buscando-se com isso, abranger a maior extensão territorial possível para a região analisada. De acordo com Eletrobrás (1985a), o número mínimo de anos deve ser 3 a 4 vezes maior do que o número de variáveis utilizadas no estudo, de modo que um período maior acaba por influenciar nos resultados da regressão. ELETROBRAS (1985). Com base nestas definições, foram selecionadas 56 estações fluviométricas da ANA com dados consistidos, localizadas na Região Hidrográfica do Uruguai. As principais informações descritivas destas estações bem como sua localização estão apresentadas na Figura 1 a seguir. Figura 1 - Mapa com a localização das estações fluviométricas utilizadas no estudo Obtenção das variáveis independentemente testadas As variáveis independentes ou explicativas representam as grandezas de ordem física no âmbito da bacia hidrográfica e têm sido utilizadas para explicar o comportamento das vazões, sendo que muitos estudos apontam a área de drenagem da bacia como o parâmetro físico de maior importância para quantificar a produção hídrica e a escala das vazões características. Lemos(2006); XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Oliveira (2008);Ferreira (2010). Neste estudo, optou-se por utilizar as variáveis Área de drenagem (Ad), o Comprimento do rio principal (L) e a Declividade média do rio principal (S) Processamento dos dados hidrológicos Para o processamento das séries de dados disponíveis foi utilizado o programa SisCAH 1.0 (Sistema Computacional para Análises Hidrológicas), desenvolvido e disponibilizado pelo Grupo de Pesquisa em Recursos Hídricos (GPRH), vinculado ao Departamento de Engenharia Agrícola (DEA) da Universidade Federal de Viçosa UFV). Com o uso do SisCAH 1.02 foi possível importar dados diretamente do banco de dados Hidroweb, e a partir destes, obter as curvas de permanência de cada estação. Para a definição do período histórico e obtenção das curvas de permanência, o presente estudo considerou todos os anos com dados completos disponíveis, sem que um período base comum a todas as estações fosse definido, descartando-se os anos com registros incompletos ou inexistentes. Essa forma de calcular a curva, conforme descrito por Cruz (2001), é identificada como método toda série e possibilita a obtenção de uma única curva de permanência, denominada curva de permanência empírica total, com probabilidade de ocorrência das vazões em relação ao período da amostra. Neste estudo, a partir da importação da série de dados das vazões de cada estação fluviométrica, estas séries foram manipuladas no programa SisCAH, onde os resultados possibilitaram identificar o período de dados observados disponíveis e obter a variável dependente curva de permanência e, consequentemente, a Q90 de cada estação selecionada. Após obter a Q90, o SisCAH permitiu exportá-la automaticamente para o SisCoRV utilizado no estudo, de modo que pudesse regionalizá-la considerando as diferentes variáveis explicativas Método de regionalização hidrológicaaplicada Para a regionalização dos dados utilizou-se o programa SisCoRV 1.0 (Sistema Computacional para Regionalização de Vazões), o qual permite regionalizar diferentes variáveis hidrológicas referente às vazões observadas em estações fluviométricas monitoradas a partir da utilização de diferentes métodos. Souza (2009). Na avaliação realizada neste estudo, empregou-se a análise de regressão através da aplicação do Método Tradicional e, portanto, não se realizou a descrição dos demais métodos, sendo que tal descrição pode ser verificada em Sousa (2009). O método tradicional, proposto pela Eletrobrás (1985a), é um dos mais utilizados em estudos de regionalização e o que tem apresentado sistematicamente os resultados mais satisfatórios em diversos estudos. Este método apresenta como característica principal a utilização de equações de regressão múltipla aplicadas a regiões com comportamento hidrológico semelhante, de modo a obter as vazões em qualquer posição da rede de drenagem da região em estudo considerando diferentes variáveis explicativas. Este método pode ser aplicado às vazões mínimas, máximas, curva de regularização e curva de permanência. O estudo de regionalização realizado foi baseado na hipótese de que a curva de permanência representa o risco ou probabilidade no período da amostra. Nesta hipótese, tradicionalmente utilizado em hidrologia, a frequência de excedência foi calculada pelo processamento conjunto de toda série histórica de vazões disponíveis para as estações com no mínimo 5 anos de registros completos, obtendo-se uma única vazão de permanência Q90 para cada estação Identificação das regiões hidrologicamente homogêneas e obtenção das equações regionais A definição das regiões com comportamento hidrológico semelhante buscou, inicialmente, identificar as similaridades das características referentes à distribuição espacial das estações, XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 climatologia, geologia, geomorfologia, hidrologia e pedologia da região em estudo, utilizando-se para tanto, mapas das características físicas da Região Hidrológica do Uruguai e da espacialização das estações selecionadas. A metodologia de regionalização empregada para definição das RHH consistiu em utilizar diferentes modelos de regressão, considerando a correlação entre as variáveis explicativas definidas neste estudo (área de drenagem, comprimento do rio principal e declividade média do rio principal) e a variável dependente (Q90). Os modelos de regressão disponibilizados pelo programa SisCoRV e utilizados no estudo são apresentados a seguir, da Equação 1 a Equação 5: Modelo linear Q = ßo + ß1X1 + ß2 X2 +...ßnXm (1) Modelo potencial Q = ßo X1ß1 X2ß Xmßn (2) Modelo exponencial Q = e(ß0 + ß1 X1 + ß2 X ßnXm) (3) Modelo logarítmico Q = ßo+ß1lnX1+ß2lnX ßnlnXm (4) Modelo recíproco Q = (ßo + ß1 X1 + ß2 X ßnXm)-1 (5) Onde, Q representa a vazão estimada pelo modelo, ßo corresponde ao valor da constante do modelo, ß1, ß2, ß3 e ßn correspondem aos coeficientes das variáveis explicativas e X1, X2, X3e Xn correspondem às variáveis explicativas. Para a escolha das variáveis explicativas que efetivamente seriam utilizadas, testes de correlação linear foram realizados de modo a identificar a contribuição que as variáveis, área de drenagem, Comprimento do rio principal e Declividade média do rio principal proporcionariam ao estudo de regionalização ora apresentado. Posteriormente, a identificação das regiões hidrologicamente homogêneas foi baseada na análise do ajuste das equações de regressão múltipla das vazões para a probabilidade de 90%, obtidas utilizando as características físicas das sub-bacias selecionadas. Para verificar a adequação do ajuste da função matemática aos dados observados, existe uma série de avaliações objetivas que podem ser utilizadas. Dentre estas avaliações, as mais utilizadas são o coeficiente de determinação (R2), o erro padrão fatorial (σf) e o erro percentual entre valores observados e estimados ou erro relativo (ER%). Com base no exposto acima, para o R²a os valores foram considerados representativos quando iguais ou superiores a 0,90, consistindo em uma análise mais conservadora. Para os valores do σf, considerou-se adequados quando os valores apresentaram-se inferiores a 1,5, conforme descreve ELETROBRÁS (1985). Quando estas duas avaliações estatísticas objetivas atenderam aos valores definidos no estudo, então a região foi confirmada como hidrologicamente homogênea e o modelo de regressão utilizado foi considerado satisfatório e, teoricamente, os seus parâmetros estimados são possíveis de serem aplicados na estimativa de vazões com 90% de permanência. A Figura 2 mostra as regiões hidrologicamente homogenias obtidas no presente estudo. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Figura 2 - Mapa com as RHH definidas no estudo. Conforme pode ser visualizado na Figura 2, a RHH R2 é composta pelas bacias do Rio Passo Fundo (U020), Rio da Várzea (U100) e Turvo-Santa Rosa-Santo Cristo (U030) Comparação entre as vazões observadas e estimadas da RHH-R2 Mesmo apresentando resultados estatísticos satisfatórios, tais modelos de regressão podem ter pouca representatividade física, com vazões estimadas apresentando anomalias como vazões negativas, ou ainda superestimativas maiores que o dobro das vazões observadas e subestimativas inferiores a sua metade. Sendo assim, faz-se necessário a comparação das diferenças entre os valores de vazões estimadas e observadas para cada estação, sendo que neste estudo utilizou-se o erro percentual (ER%) ou erro relativo entre os valores das vazões observadas e estimadas pelos modelos. Com base no exposto acima discute-se neste item a comparação entre as vazões obtidas com o processamento dos dados não homogêneos (Q90obs) e as vazões regionalizadas a partir dos modelos matemáticos (Q90est). Para tanto, buscou-se apresentar os resultados obtidos na RHH R2, onde atabela 1 expressa os valores das vazões observadas e estimadas, juntamente com o erro. Na avaliação da Regressão realizada utilizando a combinação das variáveis, os modelos Linear e Potencial apresentaram desvios percentuais muito semelhantes, ainda que os erros resultantes do modelo Linear tenham sido maiores. O modelo Linear apresentou vazões negativas para as estações e O modelo Potencial apresentou erros ligeiramente inferiores em relação ao modelo Linear, apresentando excelente ajuste das Q90 para as estações , , e , com erros vaiando entre 1,99% e 10,09%. Há de se destacar a estação , localizada no reservatório da barragem do Rio Passo Fundo, a qual regulariza as vazões de jusante. Por este fato, a estação apresenta vazões consideradas não representativas do processo hidrológico natural da bacia. Entretanto, mesmo com esta constatação, o estudo considerou a utilização da série histórica da estação nas equações de regressão realizadas. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Na análise do ER% médio, o modelo Linear apresentou 21,6%de erro, enquanto que o modelo Potencial 20,4%. Tabela 1 - Erro percentual da Q90 na RHH-R2 utilizando as variáveis Ad e L no modelo Linear e Potencial. Q90obs Modelo Variável Estação (m/s) Q90est (m/s) ER (%) ,98 18,65 25, ,47 285,25 0, ,52-1,09 308, ,86 19,14-13, ,47 19,88 11,53 Linear Ad e L ,37 13,77 15, ,90 4,36 11, ,59 12,12-26, ,92 12,45-57, ,42 7,29-34, ,77-1,87 205, ,98 1,64 33, ,47 262,73 7, ,52 1,07-104, ,86 16,52 1, ,47 21,57 3,98 Potencial Ad e L ,37 12,21 25, ,90 4,40 10, ,59 11,62-21, ,92 9,54-20, ,42 6,81-25, ,77 0,81 54, Definição das equações regionais Na RHH-R2 os maiores erros foram observados nas estações que apresentaram as menores vazões, isto em relação à Ad e L individualmente. Provavelmente isso possa ter vínculo com o tempo de resposta destas bacias com menor área, onde o tempo de ocorrência entre a precipitação e seu efeito na seção do rio principal é muito menor do que em grandes bacias. Nas grandes bacias os picos de cheia são menos frequentes já que dependem da ocorrência de chuvas simultâneas em toda a bacia. Segundo Cruz (2001), este fato associado ao fator de regularização de aquíferos, explica a menor variabilidade das vazões nas grandes bacias. O modelo Potencial utilizando a variável L e a combinação entre Ad e L apresentou os melhores resultados, por isso, sendo recomendado a utilização das equações de regressão apresentadas na Tabela 2. Tabela 2 - Equações escolhidas para a RHH-R2. Modelo Equação Regressão R²a σf ER%médio Potencial Q90 = 0,0020L 1,6928 0,97 0,50 23,3 Potencial Q90 = 0,0017A 0,4711 L 0,9955 0,93 0,48 20,4 XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 3. CONCLUSÃO Baseado nas análises estatísticas foi possível definir cinco regiões com comportamento hidrológico homogêneo. A RHH-R1 é composta pela bacia U010; a RHH-R2 é composta pelas bacias U020, U030 e U100; a RHH-R3 é composta pela bacia U090 e parte da U030; a RHH-R4 abrange as bacias U040 e U110 e; a RHH-R5 abrange as bacias U050 e U070. As bacias U060 e U080 não foram consideradas no estudo; Área de drenagem foi a variável mais expressiva na representação das vazões associadas aos níveis de 90% de permanência na regionalização pelo método tradicional, sendo que o acréscimo da variável L nas equações não representou uma redução significativa dos erros, tampouco um aumento representativo nos ajustes do coeficiente de determinação. Com isso, a área de drenagem pode ser uma variável mais atrativa de utilização, devido à praticidade de sua obtenção; A análise dos valores de vazões Q90 observadas e estimados com o uso das equações regionais permitiu verificar que os maiores erros percentuais foram obtidos nas estações de menor área de drenagem, e os menores erros percentuais com estações de maior área de drenagem em decorrência, provavelmente, da menor variação dos valores de vazões observadas. A metodologia empregada considerando toda a série disponível de dados apresenta-se como uma forma de estimativa mais conservadora da Q90, considerando-se que agrupa todas as ocorrências de estiagens em um mesmo conjunto. Os resultados obtidos com o método aplicado, onde se extraiu uma única Q90 de dados não homogêneos, apresentaram-se satisfatórios para as definições estabelecidas neste estudo e, portanto, possíveis de aplicação, contanto que o seu efetivo uso seja realizado considerando as peculiaridades apresentadas neste trabalho. REFERÊNCIAS AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS ANA. Disponível em: < Acesso em: set. de CASTRO, A.; RUHOFF, A. L. Estudo de regionalização de vazões médias na região do Médio Uruguai. Circular Técnica n. 4. Campinas: Embrapa Informática Agropecuária, CHAVES, H. M. L et al. Regionalização de Vazões Mínimas em Bacias Através de Interpolação em Sistemas de Informações Geográfica. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v.7, n. 3, p CRUZ, J. C. Disponibilidade hídrica paraoutorga: avaliação de aspectos técnicos econceituais.tese (Doutorado em Engenharia de Recursos Hídricos e SaneamentoAmbiental) - Universidade Federal do Rio Grandedo Sul. Porto Alegre: UFRGS, CRUZ, J. C. TUCCI, C. M. E. Estimativa da disponibilidade hídrica através da curva de permanência. RBRH, vol. 13. n. 1, Jan/Mar ELETROBRÁS Centrais HidrelétricasBrasileiras S.A. Metodologia pra regionalização de vazões. Rio de Janeiro. 202 p., 1985a. SOUSA, H.T. Sistema computacional para Regionalização de Vazões SisCoRV 1.0. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) Programade Pós Graduação em Engenharia Agrícola.Viçosa: UFV, TUCCI, C. E. M. Regionalização de vazões. Porto Alegre: Ed. Universidade UFRGS, XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8