Metodologia para corrigir dados de pluviômetros automáticos comerciais antes da sua publicação: um estudo de caso

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1 Metodologia para corrigir dados de pluviômetros automáticos comerciais antes da sua publicação: um estudo de caso Methodology for correcting automatic data from commercial rainfall gauges previously to publication: a case study Eduardo Perez Miranda Ferreira eduardopmferreira@hotmail.com Pablo Henrique Ferreira Soares pablostill@hotmail.com André Luiz de Lima Reda ; Escola de Engenharia Mauá do IMT, São Caetano do Sul, SP allreda@uol.com.br Magda Aparecida Salgueiro Duro magda.duro@mackenzie.br Raquel Cymrot rcymrot@gmail.com Ruben Matheus Crivelari ruben.crivelari@mackenzie.br Abstract Automatic rain gauges measure rainfall at discrete portions along time. An electromagnetic sensor records alternate movement of a pair of tipping buckets at opposite sides (as on a see saw). When one bucket is being filled by water, the other spills it. As each container gets completely full (at an adjustable capacity), it turns and pours that volume, allowing for the other one to fill up. This is an essential equipment to provide information for civil work design, monitoring and operation (e.g., drainage systems; landslide prevention; airports, respectively). However, their data may undergo considerable chances of error due to a lack of dynamic calibration most of them cannot be calibrated for full ranges of rain intensity. This paper reports a complete calibration routine, from the construction of a calibration bench to defining an intensity x error curve to be made available for automatic error correction before data are made public. Keywords rain gauge calibration, tipping bucket, rainfall measuring, meteorological monitoring, remote sensing I. INTRODUÇÃO Pluviômetro é um aparelho para medir a chuva que atinge um ponto geográfico em determinado momento, geralmente expressa como altura pluviométrica em milímetros. Segundo Sentelhas e Caramori [15], há dois tipos de pluviômetros: o convencional, que mede apenas altura pluviométrica, e o automático, que registra seu acúmulo em função do tempo, permitindo calcular a duração e a intensidade da chuva. O fornecimento de dados pluviométricos com qualidade é importante para o acerto de previsões, decisões e medidas que decorram dessas informações. Erros na medição podem ocorrer por erro na leitura do observador ou por razões mecânicas, em aparelhos automáticos. Estudar os erros nessas medições, tanto em aparelhos convencionais quanto automáticos, é importante para fornecer ao usuário dados já corrigidos. A calibração de uma curva que relacione o erro à intensidade medida pode possibilitar essa correção de modo prático. Este trabalho analisa dados coletados num laboratório que simula o funcionamento em campo, para obter um método objetivo e prático que permita corrigir a intensidade média de chuva medida em determinado período para perto do valor real. Acredita-se que ele possa contribuir com as comunidades científica e técnica no campo da gestão de recursos hídricos, propondo uma curva de correção da medição pluviométrica para o aparelho objeto de estudo neste trabalho que elimine as incertezas hoje existentes pois curvas assim não acompanham a maior parte dos equipamentos na aquisição. Também se deseja despertar o interesse de novos pesquisadores no assunto. II. REVISÃO DA LITERATURA Pluviômetro é um aparelho utilizado para medir chuva. Grandezas tais como altura pluviométrica (mm), duração da chuva (h; min) e intensidade da chuva (mm/h) são objetivos dessa medição [6]. Pluviômetros comerciais podem apresentar erros na coleta do dado devidos ao modo de funcionamento. Com relação a esses erros, os decorrentes da resolução da báscula são os mais comuns e sua origem reside na incapacidade do sistema em computar a chuva na mesma intensidade com que ela ocorre (...) [15]. DOI /SHEWC

2 Santos [14] estudou um pluviômetro convencional. O resultado obtido com a pesquisa nos mostra que, como já afirmado, os princípios dos sistemas de calibração são semelhantes, porém a metodologia estatística e o método de trabalhos da variável chuva sobre o sistema são as distinções do processo., conforme afirma Santos [14]. Segundo Reda et al. ([13], p.1), conhecer valor do erro para cada valor de intensidade e, assim, poder corrigi-lo... antes de fornecer a medição ao usuário garantirá maior confiabilidade por parte deste enfatizando a necessidade de processo similar para cada aparelho a ser comercializado.. Aqueles autores destacam erros de cerca de 30% após testarem três pluviômetros comerciais distintos estudados em seus experimentos para a mesma faixa de intensidades simuladas, reforçando a importância do objetivo deste trabalho. O aparelho de caçambas basculantes, ou tipping bucket (TB), tem grande aplicação na medição de chuvas curtas e longas, importantes nas decisões de projetos de infraestrutura urbana, prevenção de tragédias causadas por enchentes e monitoramentos da agricultura. Fernandes e Braga ([4], p. 200) informam que a confiabilidade nas medidas obtidas pelos TB em eventos de baixa intensidade e em curto intervalo de tempo foi afetada ao longo dos testes realizados num equipamento do modelo RG 200, fabricado pela Global Water, conectado a um datalogger modelo GL 300. Para aqueles autores, esse tipo de equipamento produz medidas sujeitas a incerteza e erros significativos em precipitação intensa, indicando que a pesquisa seja continuada para melhor entendimento dos fatores que influenciam os resultados dos TB em operação quando submetidos as condições similares às dos testes por eles realizados com precipitações intensas. Braga et al [1] testaram quatro pluviômetros diferentes com dataloggers da marca Global Water (modelos GL e GL ) ajustados para registrar pulsos a cada 2 min. Concluíram que um sistema de bombas peristálticas possibilita ensaios mais precisos e melhores resultados; porém, precisa-se conhecer melhor o desempenho dos pluviômetros de básculas, em especial daqueles de menor preço. Constataram que, para eventos de média intensidade, em algum momento pode ocorrer uma chuva intensa, sujeita a erro isolado de medição. Reda, Uehara e Reda [12] realizaram testes com um pluviômetro automático de área de captação de 0,03142 m². Concluem que os erros na intensidade medida dependem da intensidade da calibração do equipamento (isto é, se foi para baixa ou alta intensidade) e que a relação (não linear) entre erro e intensidade simulada compromete a credibilidade dos dados obtidos. Outras conclusões foram que aquele pluviômetro apresenta erros determinísticos de zero a aproximadamente 30% e considerável incerteza nas medições, presumida pela alta dispersão dos pontos experimentais levantados. Aqueles autores sugerem, então, a continuidade dos ensaios para verificar se a causa é um problema da bancada de testes ou do pluviômetro. Depois daquele trabalho, Reda et al. [13] utilizaram-no como base, com a mesma bancada de testes, para realizar novos experimentos com dois pluviômetros diferentes. Os novos resultados foram publicados em [13]. Os resultados dos ensaios acima relatados geram forte expectativa de se poder estimar erro em função de intensidade utilizando correlações obtidas em tais testes, podendo-se assim corrigir intensidades medidas antes de fornecê-las ao usuário. Mas, obviamente, tais correlações serão confiáveis só se os pluviômetros basculantes, por sua vez, medirem com precisão. Esta pesquisa bibliográfica se desenvolve na expectativa de que as correlações encontradas sejam justas e significativas para permitir estimar o erro em função da intensidade. Isto incentivará investimentos para adquirir mais pluviômetros automáticos, proporcionando benefícios para a população, que precisa dessas informações por diversos motivos, dentre eles, previsão e prevenção de desastres, segundo Reda et al. [13]. Braga et al. [2] realizaram testes em sete pluviômetros de báscula de alta qualidade, de modelos diferentes, com o auxílio de uma plataforma de testes construída no Laboratório de monitoramento do Departamento de Hidráulica e Saneamento da Universidade Federal do Paraná. Um daqueles aparelhos tem um sistema eletrônico de compensação de erros. Os resultados obtidos mostraram que pluviômetros providos de novos recursos tecnológicos têm a chance de apresentar melhor desempenho, apresentando, com o tempo, melhores resultados que os equipamentos convencionais. Aquele também conclui que para chuvas intensas ocorre subestimação da intensidade. Fraga et al. [6], realizaram um estudo para desenvolver um pluviômetro de bóia automático para medir por 24 horas. Comparado a diversos outros pluviômetros comerciais, foi avaliado positivamente, apesar de erros. Afirmam que esse pluviômetro automático de bóia pode funcionar com resultados comparáveis aos de diversos outros equipamentos comerciais. Segundo aqueles autores, o intuito do seu estudo foi alcançado. Aconselham melhorar a calibração do equipamento em futuros experimentos para obter resultados mais exatos. O estudo realizado por Küchler et al. [8] teve o objetivo de desenvolver um software dedicado ao coletor pluviométrico produzido pela Universidade Estadual Paulista (UNESP) por um driver em linguagem Java, operando semelhante a um datalogger. Conforme aqueles autores, sua contribuição efetiva foi o êxito e a operacionalidade do software, que motivou novos trabalhos a partir de estudos práticos em campo com o hardware coletor de dados pluviométricos da UNESP. Estudo no estado de Santa Catarina mostra que os eventos extremos dos últimos anos causaram, em certa medida, mudanças climáticas que acarretam problemas socioambientais, tais como alagamentos, transbordamento de rios e deslizamentos, sendo necessário monitorar tais eventos para evitar tragédias [17]. Um sistema pluviométrico foi usado naquele estudo, mas se demonstrou limitado ao tentar medir intensidades tanto baixas quanto altas quando apresentou incertezas na forma de erros de medição provavelmente devidos ao movimento das básculas ou ao sistema de vazão, que influencia diretamente o fluxo da água. No entanto, tais erros estão nas faixas observadas na literatura consultada. Segundo Lima Junior, Silva e Silveira [9], é muito importante entender bem os motivos do afastamento entre os valores real e medido. Estes, como por exemplo a calibração de equipamento, condições de uso e armazenamento e interação de procedimentos com as variáveis consideradas na análise, são fontes de possíveis erros que impactam os resultados medidos. 41

3 O estudo de Tavares, Steinbach e Sakagami [17] inclui dois trabalhos com objetivos diferentes. O primeiro desenvolve um sistema de calibração de pluviômetros de báscula e o segundo calibra quatro aparelhos distintos, analisando o desempenho de cada um e, em seguida, calculando erros e incertezas apresentados pelos aparelhos que já haviam sido apontados em Luiz et al. [10]. Ainda segundo Tavares, Steinbach e Sakagami ([17], p. 4), seus resultados são conformes com a literatura pesquisada e podem contribuir com trabalhos posteriores. O trabalho de Voltan, Martins e Bassan ([18], p. 23) estudou pluviômetros basculantes do modelo 7852M, fabricado pela Davis Instruments, com resolução de 0,2mm. Empregaram também coletores portáteis de dados pluviométricos que usam a tecnologia de microcontrolador programável. Tanto no desenvolvimento dos coletores com processamento intensivo quanto no sistema computacional para aferir pluviômetros se usou a tecnologia da instrumentação virtual. Os procedimentos foram desenvolvidos tanto em laboratório quanto em campo, visando testar a eficiência do conjunto. Segundo aqueles autores, a instrumentação virtual registrou os dados pluviométricos de modo eficiente em diferentes escalas temporais, a exemplo do que ocorreu com o processamento intensivo de dados em tempo real. Seu sistema para aferição de pluviômetros com instrumentação virtual revelou-se capaz de verificar matematicamente os níveis de precisão e exatidão dos pluviômetros, tornando-se ponto de extrema importância para a calibração do equipamento. O sistema portátil de coleta de dados foi fácil de instalar em campo, dadas suas pequenas dimensões físicas, baixo consumo de energia e baixo custo. O estudo de Silva Filho, Azevedo e Cabral ([16], p. 3) analisa e averigua respostas de um pluviômetro automático na medição, após calibração preliminar em laboratório e, depois, em campo, para testar a eficácia da metodologia por eles proposta para calibrar pluviômetros evitando seu translado desnecessário do local de instalação ao laboratório, bem como obter maior eficiência na calibração Aqueles autores identificam fatores de grande relevância que acentuaram a incerteza na medição, a saber: variação na velocidade do vento em campo (influenciando o fluxo da precipitação nos ensaios) e variação de temperatura ([16], p. 10). Jiménez e Collischonn ([7], p.203) ressaltam a importância da qualidade dos dados pluviométricos de entrada em modelos hidrológicos de bacia hidrográfica e da formação de bancos de dados combinando pluviometria de qualidade com informação de radar meteorológico, assim assegurando que o futuro desenvolvimento da tecnologia de previsão de chuva por radar será respaldado por base pluviométrica de boa qualidade, inclusive para previsão de alta discretização em bacias pequenas ([17], p. 215). Para Mansano et al. ([11], p. 4), pluviômetros comerciais automáticos podem estar transmitindo dados com até cerca de 20% de erro. Aquele o autor desenvolveu uma bancada de testes para estudar esse erro O pluviômetro utilizado nos testes de Mansano foi o modelo Aerodynamic rain gauge, Eijkelkamp Hog Viewer, com datalogger integrado. Conclui seu estudo relatando que De acordo com a correlação erro intensidade obtida, o pluviômetro apresentou uma tendência de diminuição no erro conforme a intensidade aumenta. Como os pontos por ele levantados foram poucos, não se elabora mais do que uma tendência linear. No entanto tal tendência pode não ser linear o que fica sugerido para futura investigação.. Codato [3] continuou a estudar esse modelo de pluviômetro. Também usou a mesma bancada de testes [11], mas após ajustar o orifício que goteja a chuva simulada, em laboratório distinto do usado por Mansano, para evitar alta concentração de partículas no ar (que aquele autor enfrentara). Relata que esse pluviômetro coletou dados com menor erro para chuva menos intensa e deduz que o encontrara calibrado para chuva de fraca intensidade. Apresenta como produto final uma curva de correção até cerca de 70 mm/h de intensidade medida, por limitação de cronograma em sua pesquisa de graduação, conjugada com o grande dispêndio de tempo para os ensaios repetido para cada intensidade aquela autora levantou 20 pontos para cada intensidade simulada. Foi então planejada a continuidade do estudo desse aparelho por outro pesquisador. III. METODOLOGIA E EQUIPAMENTOS A bancada de testes é um conjunto fixado a uma estrutura composta por uma chapa de base com seção quadrada, de ferro, e uma haste vertical como suporte, também em ferro. A coluna d água vertical (tubo de PVC, f 10cm) é presa de modo a simplificar sua manutenção e fornecer boa condição de simulação de chuva e leitura da carga hidráulica num tubo manométrico de vidro. Uma descrição detalhada dessa bancada se encontra em [5]. O pluviômetro basculante testado é o Rain Collector II modelo 7852, fabricado por Davis Instruments com resolução de báscula de 0,2 mm, diâmetro do coletor de 16,5cm e 24cm de altura. Sua área de captação resulta 200 cm² e seu peso é 1,10kg. Foi fornecido pela fábrica com calibração para que a báscula verta a cada 0,2mm de chuva real momento em que o sensor registra mais um pulso elétrico para representar um aumento de 0,2cm na altura pluviométrica acumulada no tempo, permitindo a opção posterior de traçar um pluviograma. Não se tinha informação sobre a intensidade de calibração. O equipamento para aquisição e armazenamento temporário de dados foi desenvolvido pela Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH) para uso próprio e é aquele usado pela Rede Telemétrica de Hidrologia do DAEE. Foi gentilmente cedido para esta pesquisa. Após montagem, a bancada foi aferida para encontrar a relação entre a altura da coluna d água (carga hidráulica) e a intensidade de chuva sendo simulada. Depois de aferida a bancada e configurado o datalogger para registros a cada 5min, o pluviômetro pode ser colocado sob o orifício na tampa que fecha a base da coluna vertical com água, para coletar o jato (ou gotas, dependendo da intensidade simulada) que sai por esse orifício e simula a intensidade de chuva. Para cada altura de coluna d água, fica tempo suficiente para gerar 15 pares de valores {i medida ; i simulada } ou {i p ; i r }. A intensidade medida pelo pluviômetro, i p, é detectada pelo sensor que funciona acoplado às básculas. A intensidade simulada ou real, i r, é estimada pelo método volumétrico, explicado a seguir, mas, depois de aferida a coluna hidráulica, pode ser inferida indiretamente como função da sua carga, H. 42

4 Cada conjunto de 15 pares de valores {i p ; i r } gera 15 valores de erros, que são as respectivas diferenças (i p i r ). Define-se para cada conjunto o erro médio, ou simplesmente Erro, como a média aritmética dos seus 15 valores de erro. Daí resulta um par coordenado {i p ; Erro} para cada altura de coluna d água. Como tudo isto se repete para cada uma de cinco alturas escolhidas para as simulações, resultam, ao final, cinco pares de valores {i p ; Erro} ou pontos que servem para ajustar a curva de calibragem do pluviômetro ou curva de erro, curva intensidade x erro ou curva para correção de erro. IV. RESULTADOS E DISCUSSÃO A. Aferição da Bancada de Testes Os pares de pontos {H;i} para elaborar a curva de aferição da bancada foram obtidos conforme a Metodologia. Os cinco pontos finalmente encontrados foram os seguintes: ponto 1: {23,3cm;50,95mm/h}; ponto 2: {35,9cm;78,00mm/h}; ponto 3: {40,9cm;88,59mm/h}; ponto 4: {62,00cm;123,20mm/h}; ponto 5{104,5 cm;149,71mm/h}. A carga hidráulica, H no gráfico da Figura 1, é simplesmente lida no tubo manométrico vertical (de vidro) da coluna. A intensidade real, i r (ou simulada ), é calculada 15 vezes para cada H usando uma proveta graduada como medidor volumétrico e um cronômetro para medir o tempo de enchimento. Cada vazão assim estimada é transformada na correspondente intensidade, pois se conhece a área de captação do aparelho, 200cm 2. A média dos 15 valores é considerada como i r para aquela carga hidráulica. Função ajustada Fig. 1. Curva de aferição da coluna: carga x intensidade simulada. B. Calibragem do Pluviômetro Aferida a bancada, procedeu-se à calibração do pluviômetro pela Metodologia. Para cada altura de coluna d água, o valor do Erro foi determinado como explica o item acima. O valor médio da intensidade medida com o pluviômetro, i p, também é conhecido para cada altura de coluna. Este é o valor da abscissa de cada ponto no gráfico da Figura 2, que relaciona Erro com i p. Os pares de valores {i p ;Erro} obtidos para as cinco alturas H ensaiadas são os 5 pontos no gráfico da Figura 2. Uma função polinomial foi ajustada aos pontos do gráfico, tendo sido forçada a passar pela origem dos eixos em função de uma conclusão inicial dos experimentos, de que o erro parecia desprezível para baixas intensidades provável indicador de que a calibragem de fábrica correspondeu a chuvas fracas. O ajuste tem certa dispersão em função de incertezas e imperfeições da metodologia de simulação e medição, agravada pelo fato de haver poucos pontos levantados e de cada um advir de apenas 15 ensaios com o pluviômetro. Fig. 2. Curva de calibragem (ou correção de erro) do pluviômetro automático: intensidade medida x Erro. C. Análise crítica dos Resultados Numéricos Um teste de aderência à distribuição Normal aplicado aos resíduos no ajuste da Figura 2 mostrou seguir tal distribuição, pois p = 0,390 > 0,05, não se rejeitando tal hipótese no nível de significância de 5%. A relação resíduos x valores ajustados mostra resíduos aproximadamente simétricos com relação ao eixo vertical, y, e variabilidade aproximadamente constante ao longo do eixo horizontal, x. Por outro lado, a relação entre resíduos e a ordem da observação não mostra um padrão, levando a sugerir que haveria independência entre as observações sucessivas. Mas ainda seria provável que, se houvesse mais pontos, algum padrão pudesse resultar. Calculou-se a médias dos 15 erros para cada ponto da curva de calibragem, resultando, na ordem dos pontos, +10,08; +11,78; +4,19; +12,61 e +39,18 % sempre positivo. Parece que quando a intensidade cresce o equipamento tende a bascular antes de armazenar o volume correto talvez, por sentir o efeito dinâmico de um jato mais forte vindo do funil receptor, que poderia fazer a báscula verter sem ter, ainda, o peso estático adequado. Outra conclusão, mais segura que a anterior, é que o fato de todos os erros terem o mesmo sinal reforça a tese de que este aparelho, em particular, foi calibrado para chuva fraca. No entanto, pode ser que, para um equipamento com outro projeto mecânico, mesmo calibrado para chuva fraca tivesse erros sempre negativos para chuva forte; caso, por exemplo, sua tendência fosse bascular antes de ter amealhado o volume padrão de água na báscula. Isto seria possível para vertimento da báscula tão lento que, quando já está basculando, um volume considerável de água ainda aporta do funil de recepção de chuva e consegue entrar nela já lotada. 43

5 O equipamento apresentou erros consideráveis para a maior parte das intensidades simuladas, com o sinal da dispersão do erro em torno da curva de calibragem variando de modo aleatório, aparentemente, no decorrer dos experimentos. É importante notar eu houve perturbações durante o trabalho experimental, principalmente no que diz respeito à pureza da água no circuito fechado mantido no Laboratório por motivos ambientais. O entupimento freqüente que ocorreu no orifício se deve às impurezas presentes na água de alimentação do reservatório elevado que envia o fluxo à coluna de teste não tendo sido possível efetuar a limpeza durante a realização do experimento por estar esta programada com uma empresa autorizada de manejo ambiental para logo após o término deste trabalho o final do semestre letivo. V. CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES A pesquisa bibliográfica forneceu aos autores uma sólida base para encarar o trabalho de aferir a bancada e calibrar o pluviômetro com segurança. O objetivo de determinar a curva intensidade medida x erro de medição (curva de calibragem) foi atingido. Porém, há que se melhorar as condições experimentais no Laboratório e dar sequência a este trabalho para produzir curvas mais significativas e aderentes à amostra. A curva de aferição da bancada possibilitou o levantamento da curva de calibração, mostrando melhor ajuste do que esta. Este fenômeno deve ser mais bem investigado no futuro, com mais dados, mas o fato de já se expor esta ainda incipiente base de dados e as conclusões mais fortes já possíveis a partir deles visa provocar na comunidade da hidrometria hidrológica uma oportunidade para discutir problemas e compartilhar experiências que poderão ser úteis nas investigações futuras. Recomenda-se dar continuidade a estes experimentos após resolver o problema prático na instalação de fluxo contínuo que alimenta a bancada, voltando-se ao aparelho Davis para melhorar os ajustes de ambas as curvas e ampliar a faixa de intensidades simuladas, preferencialmente até 300 mm/h. REFERÈNCIAS [1] BRAGA, S.M.; DELARIZZA, R.A. SANTOS, I.; FERNANDES, C.V.S. Avaliação da performance de pluviômetros de báscula: técnicas para a realização de ensaios pluviométricos em laboratório. In: Simpósio Brasileiro de Recuros Hídricos, 17., 2007, São Paulo. Anais.... Curitiba: SBRH, p [2] BRAGA, S.M.; BRAGA, A.S.; FERNANDES, C.V.S; SANTOS, I. Avaliação da performance de pluviômetros de báscula: sub-medição durante eventos extremos e novos esquemas de medição. In: Simpósio de Recursos Hídricos do Sul-Sudeste, 2., 2008, Porto Alegre. Anais.... Rio de Janeiro: ABRH, p [3] CODATO, M.C. Proposta de uma bancada para calibração de pluviômetros f. 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