INTERPOLADOR IDW APLICADO A INFORMAÇÕES PLUVIOMÉTRICAS PONTUAIS E ESTIMADAS POR SATÉLITE PARA USO NO MODELO CHUVA-VAZÃO IPH II

Transcrição

1 INTERPOLADOR IDW APLICADO A INFORMAÇÕES PLUVIOMÉTRICAS PONTUAIS E ESTIMADAS POR SATÉLITE PARA USO NO MODELO CHUVA-VAZÃO IPH II Stefany Correia de Paula 1 *; Daniel Gustavo Allasia Piccilli 2 ; Francisco Lorenzini Neto 3 & Rutinéia Tassi 2 Resumo A espacialização da precipitação é de fundamental importância em estudos hidrológicos. Em bacias com abundantes informações meteorológicas, as metodologias utilizadas para a estimativa da chuva média espacial apresentam resultados similares; já em situações de escassez, pode haver grande variação nos resultados gerados. Por isso, é importante buscar o método que melhor se ajuste às peculiaridades da área. Diante deste diagnóstico, analisou-se o interpolador IDW elevado à potência 2 e à 6, para a estimativa da chuva média, considerando-se dados de pluviômetros e estimados pelo satélite TRMM. Foi utilizada a bacia do rio Vacacaí-Mirim, por ser caracterizada pela insuficiência de informações pluviométricas. A identificação da melhor potência do IDW se deu pela análise das estatísticas que relacionam a vazão gerada no exutório da bacia com a observada no local, mediante a realização de modelagem do tipo chuva-vazão. Como resultado, obteve-se um ajuste não satisfatório na representação das vazões, seja considerando os dados de chuva observados, seja do TRMM, para quaisquer das potências utilizadas. As suspeitas para o resultado recaem não somente à baixa densidade de estações pluviométricas, mas sobre o modelo IPH II, que pode não ser adequado para aplicação nesta bacia, que possui características peculiares, não retratadas no modelo concentrado. Palavras-Chave Interpolação, chuva média espacial, TRMM. IDW INTERPOLATOR APPLIED TO POINT AND SATELLITE ESTIMATED RAINFALL DATA FOR USE IN THE IPH II RAINFALL-RUNOFF MODEL Abstract Rainfall spatial distribution has great importance in hydrological studies. In watersheds with abundant meteorological data, the methodologies used to estimate spatial average rainfall have similar results; however, in situations of scarcity, there can be great variation in the results generated. Thus, it is important to seek the method that best fits to the peculiarities of the area. Towards this diagnosis, was analyzed the IDW interpolator raised to the second and sixth power to estimate the average rainfall, considering data from rain gauges and estimated by the TRMM satellite. Was used the Vacacaí-Mirim River watershed, being characterized by insufficient rainfall data. Identification of the best IDW power was accomplished by statistics analysis that relate flow generated in mouth of the watershed with the observed one, by performing rainfall-runoff modelling. As a result, was obtained an unsatisfactory adjustment in the flow representation, considering both observed and TRMM rainfall data to any of the powers used. Suspicion for the result not only fall on the low density of rainfall stations, but on the IPH II model, which may not be suitable for application in this watershed, which has unique characteristics, not depicted in the concentrated model. Keywords Interpolation, spatial average rainfall, TRMM. 1 Mestranda do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Maria - UFSM: stefanycorreia07@gmail.com 2 Professor (a) da Universidade Federal de Santa Maria UFSM. 3 Doutorando do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal de Santa Maria - UFSM: f.lorenzinix@gmail.com * Autor Correspondente XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 INTRODUÇÃO Modelo Hidrológico é definido por Tucci (2005) como sendo uma ferramenta que representa os diversos processos que ocorrem na bacia hidrográfica de forma simplificada. Os modelos que simulam a transformação da chuva em vazão, ditos modelos chuva-vazão, são classificados em distribuídos ou concentrados, sendo esses últimos aqueles que não levam em conta a variabilidade espacial de algumas variáveis e parâmetros (TUCCI, 2005). Nestes últimos modelos, a precipitação é vista como uma das principais variáveis a serem analisadas, pois apresenta características próprias de ocorrência como localização, intensidade, persistência, e distribuição espacial, que é informação fundamental para obtenção da chuva média que ocorre em toda a extensão da bacia. No intuito de se determinar a variabilidade espacial da precipitação, existem várias técnicas de interpolação, entretanto, não existe na literatura um método que se sobressaia ao outro, sendo necessário determinar o melhor método para cada circunstância (LENNON e TUNNER, 1995). De acordo com Hartkamp et al. (1999), quando os dados são abundantes, as metodologias utilizadas geram resultados similares, já quando os dados são escassos, há uma grande variação dos resultados. Uma alternativa para locais onde não há dados, é a utilização de técnicas de sensoriamento remoto para melhorar a qualidade da série de precipitação, destacando-se as estimativas obtidas por radares meteorológicos, que, no entanto, apresentam baixa cobertura no país, estando restritos apenas a grandes centros urbanos, como São Paulo, Curitiba e Fortaleza (COLLISCHONN, 2006), e as estimativas dadas por satélites meteorológicos, que se sobressaem, principalmente em estudos hidrológicos, por vir apresentando resultados satisfatórios. Dentre os satélites meteorológicos capazes de estimar precipitação, destacam-se no Brasil os dados obtidos dos satélites europeus do grupo METEOSAT (Meteorological Satellite), dos norte-americanos da série GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite), e do TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), que é resultante de uma parceria entre a NASA (Agência Espacial Norte Americana) e a JAXA (Agência de Exploração Aeroespacial do Japão). Assim, este trabalho apresenta os principais resultados encontrados durante uma pesquisa que objetivou avaliar, para uma bacia hidrográfica com escassez de dados hidrológicos: i) se as estimativas de precipitação obtidas pelo satélite meteorológico TRMM podem ser consideradas como uma boa alternativa diante de poucos dados pontuais de pluviômetros; ii) se o emprego de diferentes potências do interpolador IDW podem contribuir para uma melhor determinação da precipitação média, utilizada como variável de entrada em um modelo chuva-vazão do tipo concentrado. MATERIAL E MÉTODOS Área de estudo Para o estudo foi escolhida a bacia hidrográfica do rio Vacacaí-Mirim, pertencente à bacia do rio Jacuí-RS. A escolha desta bacia hidrográfica deveu-se a sua característica de escassez de informações pluviométricas, e a necessidade de entendimento de processos do tipo chuva-vazão na região. Assim, se os dados de precipitação estimados por satélites produzem bons resultados para a bacia hidrográfica, se constituem em uma alternativa para sanar problemas de escassez de dados pluviométricos. Ainda, como tanto os dados de satélite quanto de pluviômetros são pontuais, faz-se necessária a utilização de métodos para a estimativa da chuva média, e neste trabalho isso é realizado com o auxílio de interpolador IDW, em diferentes potências. Esta bacia foi então delimitada até o posto fluviométrico Restinga Seca (cód da Agência Nacional de Águas-ANA), que está localizado na região central do Rio Grande do Sul (Figura 1). A bacia conta com uma área de aproximadamente 932 km² e perímetro de 163 km. O comprimento do rio principal é de aproximadamente 72 km, com declividade estimada em 0,006 m.m -1 e rede de drenagem total de 342 km. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Figura 1 Bacia hidrográfica do rio Vacacaí-Mirim até o posto fluviométrico Restinga Seca. As classes predominantes de solo na bacia são os Argissolos associados com Neossolos Litólicos, que são aqueles que dificultam a infiltração em profundidade e, segundo Casagrande (2004), essa associação conta com uma área de 339 km² na porção centro-sul. Mais ao sul da bacia destaca-se o Planossolo, caracterizado pelo excesso de umidade devido, em geral, à má capacidade de drenagem, compondo uma área de 261 km². Juntas, essas duas combinações somam mais de 53% dos solos da bacia. Obtenção dos dados Para o uso do modelo IPH II é necessário fornecer os seguintes dados de entrada: precipitação média, evapotranspiração média e vazão observada para a calibração. A seguir é descrito como foram obtidas cada uma destas variáveis. Para as estimativas de precipitação a partir de satélite, foi utilizado o produto 3B42 Versão 7 do satélite TRMM, que apresenta resolução espacial de 0,25 x 0,25 e temporal a cada 3 horas, sendo considerada por muitos autores como de alta confiabilidade e boa resolução. A partir do sistema TOVAS (TRMM Online Visualization and Analysis System) foram obtidos arquivos em ASCII (American Standard Code for Information Interchange), que apresentam o volume acumulado da precipitação no intervalo de 3 horas (mm), para os 9 centros de pixel localizados próximos da bacia em estudo, conforme representação da figura 1. Os dados de precipitação pontuais foram monitorados pelo pluviômetro situado no interior da bacia, e como há apenas 1 estação, também se utilizou dos localizados em seu entorno, totalizando 5 estações pluviométricas (Figura 1). Os dados dos postos pluviométricos foram obtidos através da base de dados HidroWeb da ANA, de onde foi obtida, também, a série histórica de vazão da estação fluviométrica Restinga Seca, que se encontra junto à seção de controle da bacia. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Pela ausência de dados de evaporação observados no período de estudo, que compreende 2006 a 2010 por conter tanto os dados de precipitação pontual como as estimativas obtidas pelo satélite TRMM, foram utilizados os registros da evaporação total mensal, do período de janeiro de 1969 a dezembro de 1978, da única estação que continha informações de clima, denominada Santa Maria ( ). Fez-se uma média da evaporação total para cada mês do ano, dividindo posteriormente o resultado por 30 dias, para se obter dados médios diários, compatíveis com os demais dados de entrada do modelo. Como as evaporações foram obtidas direto da leitura do tanque, as médias diárias foram corrigidas usando fator de tanque de 0,7. Os valores de entrada de evapotranspiração eram dados de incerteza e poderiam, então, acarretar em problemas na calibração no modelo. Por esse motivo foi feito um teste de sensibilidade com os parâmetros previamente calibrados, alterando apenas as informações de entrada da evapotranspiração objetivando avaliar a influência de tais dados na simulação das vazões. Utilizouse 4 séries de evapotranspiração, sendo eles: os valores obtidos pelo cálculo das médias mensais, sendo esses os dados de referência para o teste; esses dados de referência acrescidos em 10%; acrescidos em 50%; e subtraídos em 50%. Como resultado notou-se que o modelo não é sensível a esta informação de entrada. Diante deste resultado, considerou-se a evapotranspiração como o valor obtido a partir da evaporação corrigida pelo fator de tanque. Integração das estimativas de satélite Como a precipitação obtida por pluviômetros é diária, assim como os demais dados de entrada do modelo IPH II, as estimativas obtidas por satélite foram convertidas em dados diários, sendo contado como 1 dia o somatório de 8 intervalos de tempo, necessários para fechar 24 horas. O horário de início da contagem é incerto, sendo então necessários testes de correlação entre o acumulado do TRMM e a precipitação obtida por pluviômetro. Inicialmente, buscou-se o centro de pixel mais próximo do posto pluviométrico Santa Maria ( ), e obteve-se a precipitação acumulada de 1 dia para vários horários de início. Posteriormente foram feitas correlações entre os dados de precipitação do posto pluviométrico com os acumulados diários gerados a partir de vários horários de início, tendo como melhor correlação (aproximadamente 80%) a integração entre os valores referentes ao intervalo das 12h às 9h de Greenwich (9h às 6h do horário local), com 1 dia de defasagem do TRMM, ou seja, notou-se antecipação de 1 dia na estimativa dos dados de satélite. Sendo assim, por exemplo, o acumulado entre as 12h do dia 04/10/2006 e as 9h do dia 05/10/2006 é referente ao dia 05/10/2006 e não ao dia 04/10/2006, o que é similar ao encontrado por Collischonn (2006), que encontrou 25,5 horas de antecipação da estimativa do satélite TRMM em relação aos dados medidos em pluviômetros. Método de interpolação - Inverso da Distância a Uma Potência (IDW) Esse método realiza a estimativa da variável ao longo do espaço, ponderando pesos a cada um dos valores mais próximos ao ponto para onde a variável está sendo calculada, sendo assim, o peso de cada valor é dado em função do inverso de uma potência da distância, ou seja, quanto mais próximo do ponto a ser estimado, maior é o peso a ser atribuído ao valor amostrado (SILVA et al., 2007). Para a interpolação dos dados diários de precipitação, foi programada uma macro para uso em software de geoprocessamento, utilizando-se do método IDW elevado à potência dois, que é mais usual, e à potência seis. Esse procedimento foi realizado tanto para a precipitação obtida pelo monitoramento de pluviômetros, como para as estimativas do satélite TRMM. A partir dos dados interpolados, fez-se, então, uma média aritmética dos pixels compreendidos no interior da bacia hidrográfica, para a obtenção da chuva média diária na bacia. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 Calibração e simulação com o modelo IPH II O modelo foi rodado considerando a chuva média gerada a partir do IDW elevado à potência 2 e à potência 6, para os dados de pluviômetros e para as estimativas obtidas por satélite, resultando em quatro diferentes arquivos de entrada de informações pluviométricas, sendo eles: (i) precipitação média obtida pelo método inverso da distância à potência 2, para dados de pluviômetros, denominado PLU-2; (ii) precipitação média obtida pelo interpolador inverso da distância à potência 6, para dados de pluviômetros denominado PLU-6; (iii) precipitação média obtida pelo interpolador inverso da distância à potência 2, para dados estimados do satélite, denominado SAT-2 e; (iv) precipitação média obtida pelo interpolador inverso da distância à potência 6, para dados estimados do satélite, denominado SAT-6. Para calibrar o modelo utilizou-se do período de 28/06/2006 a 5/01/2010, sendo utilizada a calibração multiobjetivo disponível no IPH II, considerando 500 indivíduos na população, levandose em conta as funções-objetivo Desvio Quadrado Inverso das Vazões, que tende a ajustar melhor as vazões de base, e o Coeficiente de Nash-Sutcliffe, para priorizar o ajuste das vazões médias e de pico. O tempo de concentração foi fornecido ao modelo, e determinado a partir da análise dos hidrogramas, que variaram de 3 a 4 dias, adotando-se então 4 dias, devido a uma sensível melhora no ajuste da simulação. A área impermeável adotada foi de 5% devido às características rurais e de pouca urbanização, conforme é possível estimar a partir de imagens da área. RESULTADOS E DISCUSSÃO Análise da chuva média espacial e a influência do interpolador na sua determinação Foi realizada uma análise de correlação entre as precipitações médias dos pluviômetros e do satélite, obtidas a partir da aplicação do IDW nas potências 2 e 6. Houve baixa dispersão entre as séries de dados, no entanto entre as chuvas médias estimadas pelo satélite a dispersão ligeiramente menor em relação as chuvas médias dos pluviômetros, com coeficientes de determinação (R²) de 0,998 e 0,997, respectivamente. Esta baixa dispersão, no caso dos pluviômetros, pode ser explicada pelo fato de haver apenas 1 estação dentro do perímetro da bacia e as demais estações não influenciarem na interpolação devido à elevada distância do entorno da área. Senso assim, a escassez demasiada de informação pluviométrica fez com que as metodologias aparentemente não apresentassem divergência nos resultados para ambas as potencias testadas (PLU-2 e PLU-6), conforme figura 3a. Já no caso das informações do satélite, a alta densidade de dados e distribuição regular destes pela área, faz com que os resultados sejam similares para as diferentes metodologias testadas. R² = 0,997 R² = 0,998 A B Figura 3 Dispersão entre as precipitações médias obtidas pelas potências 2 e 6 do método IDW para dados de (a) pluviômetros e (b) estimativas do satélite TRMM. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 Já entre as chuvas médias obtida por meio de pluviômetros e estimada por satélite, houve uma dispersão considerável para as duas potências utilizadas no IDW, como pode ser observado na figura 4. Para a potência 2 do método IDW, a correlação entre as chuvas médias pontuais (dos pluviômetros) e estimada pelo satélite foi 0,84 e R² de 0,71. Para a potência 6, notou-se uma correlação de entre as chuvas médias de 0,84 e R² de 0,70. R² = 0,71 R² = 0,70 A B Figura 4 Dispersão entre as precipitações médias pontuais e estimadas por satélite através da (a) potência 2 e (b) potência 6 do método IDW. Modelagem chuva-vazão no IPH II Foram realizadas as quatro calibrações no IPH II, considerando os diferentes arquivos de entrada de chuva média (PLU-2, SAT-2, PLU-6 e SAT-6). Para cada entrada foi obtido um conjunto de parâmetros do modelo, que melhor representam a vazão observada. Na figura 5 é possível observar o resultado da calibração, sendo notória a falta de ajuste das vazões calculadas para todas as informações de chuva média utilizadas como dado de entrada no modelo. R R² PLU PLU SAT SAT Figura 5 Série de vazão observada e as simuladas para chuvas médias de pluviômetro e estimadas pelo satélite TRMM, para as potências 2 e 6 do IDW. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 É possível notar que as vazões simuladas a partir dos dados de chuva média obtidos por meio das estimativas de satélite (SAT-2 e SAT-6) não apresentaram diferença visual na simulação da vazão, ficando uma sobreposta a outra. Pode-se inferir que neste caso, que as metodologias de interpolação pouco influenciaram nos resultados gerados, com exceção do parâmetro I0, referente a taxa de infiltração inicial do solo, que passou de aproximadamente 200 mm/h em SAT-2, para 120 mm/h em SAT-6, os demais mantiveram-se iguais para as duas séries de chuva média. Já as simulações geradas a partir de informações de pluviômetros (PLU-2 e PLU-6) apresentaram diferenças evidentes em ambas as simulações de vazão. Todos os parâmetros se alteraram de uma série de chuva média para outra, sendo o I0 o que mais se modificou, passando de 130 mm/h em PLU-2, para 26 mm/h em PLU-6, seguido pelo H, que assim como o I0, também se refere a capacidade máxima de umidade do solo, que passou de 0,64 (PLU-2) para 0,98 (PLU-6). Isso vai ao encontro da literatura especializada, onde é relatado que em locais de dados escassos de chuva, as diferentes potências de interpolação geram resultados bastante diferentes. Com relação à vazão observada, nenhuma das quatro entradas de chuva média se mostrou adequada e gerou bom ajuste. Especialmente no caso dos pluviômetros, isso pode ser justificado por diversos fatores, dentre eles a falta de dados de pluviômetros, que pouco representam o que ocorre na bacia de forma média. Igualmente, as estimativas de satélite não se mostraram de grande valia para esta bacia devido, provavelmente, a sua pequena área quando se leva em consideração a resolução do pixel, ressaltando-se que há apenas 1 centro de pixel no interior da bacia, o que torna o satélite TRMM inadequado para espacialização da precipitação com posterior obtenção da chuva média, neste caso. Ainda assim, a chuva média que melhor representou a série de vazões observadas foi a estimativa de satélite, apresentando coeficiente de Nash-Sutcliffe de 0,64 e coeficiente de correlação de 0,80, para ambas as potências do IDW utilizadas. Com base nos resultados obtidos, verificou-se que não foi possível gerar uma série de vazões compatível com a observada para a bacia do rio Vacacaí-Mirim com o emprego do modelo IPH II, mesmo que avaliadas diferentes possibilidade de chuva média: pluviômetros ou satélite. As suspeitas para a baixa qualidade do ajuste recaem inicialmente sobre a baixa representatividade de informações sobre a chuva na bacia hidrográfica, que possui características muito peculiares, sujeita a efeitos de orografia. A constituição geológica da bacia é contrastante, pois está localizada parte na zona conhecida como depressão central, de relevo mais plano com campos limpos e orizicultura, enquanto a outra porção localiza-se no planalto Sul-riograndense, com topografia acidentada e maiores altitudes, onde é possível encontrar florestas remanescentes e culturas anuais, especialmente de soja. Neste sentido, nem os poucos postos pluviométricos, nem o satélite conseguiram fornecer dados suficientes para a determinação da chuva média. Outra questão a ser discutida, é à própria limitação do modelo IPH II, que é concentrado, em representar processos que ocorrem em uma área tão homogênea, conforme descrito. Possivelmente uma modelagem semi-concentrada com o emprego do mesmo modelo (divisão em sub-bacias com características mais homogêneas), poderia contornar tais impasses. No entanto, a modelagem com maior refinamento igualmente demandaria o conhecimento de dados de chuva (o que é notadamente um problema para esta bacia) e de vazão, que não estão disponíveis. CONCLUSÃO Neste trabalho foi avaliado se as estimativas de precipitação obtidas pelo satélite meteorológico TRMM podem ser consideradas como uma boa alternativa diante de poucos dados pontuais de pluviômetros na bacia hidrográfica do rio Vacacaí-Mirim, que se caracteriza pela escassez de dados. Conjuntamente foi verificado se o emprego de diferentes potências do interpolador IDW podem contribuir para uma melhor determinação da precipitação média, utilizada como variável de entrada em um modelo XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 chuva-vazão do tipo concentrado. Para os dados de pluviômetros, verificou-se que a utilização de diferentes potências no interpolador IDW (2 e 6) produziu séries de chuvas médias que resultaram em vazões simuladas visivelmente diferentes entre si, mas que não conseguiram um bom desempenho na reprodução da vazão observada. Já quando se utilizou dados dos centros de pixels do satélite, que estavam regularmente distribuídos, não se observou na fase de calibração diferença na simulação da vazão para ambas as potências testadas do IDW, mas igualmente não foi possível obter uma boa reprodução da vazão observada. Com relação aos dados de satélite, o fato de haver apenas 1 pixel do TRMM dentro da área da bacia pode ter influenciado o desempenho dos resultados, pois a bacia é considerada pequena para a resolução de 0,25 x 0,25, e possivelmente em uma bacia maior e com dados consistidos a representação seja melhor. Além da baixa representatividade espacial dos dados de chuva, a bacia hidrográfica do rio Vacacaí-Mirim é extremamente heterogênea, e possivelmente a modelagem concentrada com o IPH II não seja a melhor alternativa para a geração de uma série de vazões. REFERÊNCIAS CASAGRANDE, L. Determinação do parâmetro de propagação de sedimentos do modelo de Williams & Berndt (1975) na bacia do rio Vacacaí Mirim. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Santa Maria, COLLISCHONN, B. Uso de precipitação estimada pelo satélite TRMM em modelo hidrológico distribuído. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Rio Grande do Sul, HARTKAMP, A.D.; DE BEURS, K.; STEIN, A.; WHITE, J.W. Interpolation Techniques for Climate Variables. NRG-GIS Series Mexico, D.F.: CIMMYT, 34 p LENNON, J.J.; TURNER, J.R.G. Predicting the spatial distribution of climate: temperature in Great Britain. Journal of Animal Ecology, v. 64, n.3, , MAZZINI, P.L.F.; SCHETTINI, C.A.F. Avaliação de metodologias de interpolação espacial aplicadas a dados hidrográficos costeiros quase sinóticos. Brazilian Journal of Aquatic Science and Technology, v. 13, n. 1, p , RIZZARDI, A.S. Avaliação e caracterização dos sedimentos transportados no rio Vacacaí- Mirim. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Santa Maria, SILVA C.R.; QUINTAS M.C.L.; CENTENO J.A.S. Estudo do Método de Interpolação do Inverso da Distância a Uma Potência. Anais... II Simpósio Brasileiro de Geomática Presidente Prudente - SP. V Colóquio Brasileiro de Ciências Geodésicas. p , TUCCI, C.E.M. Modelos Hidrológicos. 2 ed. Porto Alegre: Editora da UFRGS/ABRH, XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8