VELOCIDADES DA ÁGUA POR UM ADCP ACOPLADO A UM DGPS: ANÁLISE DE QUALIDADE DA AMOSTRAGEM

VELOCIDADES DA ÁGUA POR UM ADCP ACOPLADO A UM DGPS: ANÁLISE DE QUALIDADE DA AMOSTRAGEM Deborah Cardoso da Cruz 1 * & Hersília de Andrade e Santos 2 Resumo Rapidez e precisão na aquisição de dados são os principais benefícios da utilização de perfiladores acústicos de corrente por efeito Doppler (ADCP) para medição de vazão em rios. Esse processo tem sido amplamente adotado e equipes de pesquisa tem atingido dados mais precisos consumindo menor tempo de trabalho. Naturalmente, o desempenho dos ADCPs estão sujeitos a erros que afetam as medições de velocidade. Ao medir a velocidade com um ADCP embarcado a estimativa correta da velocidade do barco é crucial para resolver as velocidades da água e pode ser obtida pelo rastreamento de fundo do ADCP (Bottom Tracking) ou pelo rastreamento da posição por um sistema de posicionamento global (GPS). O rastreamento por GPS é uma alternativa para obter a velocidade do barco sem qualquer interferência do transporte de sedimentos, no entanto, é necessário assegurar a qualidade do sinal. O objetivo deste estudo foi identificar diferenças entre a velocidade do barco rastreada pelo ADCP àquela rastreada pelo DGPS. A diferença encontrada pode representar uma alteração em função da movimentação de sedimentos em seções do rio São Francisco localizadas imediatamente à jusante do canal de fuga da usina hidrelétrica de Três Marias em Minas Gerias, Brasil. Palavras-Chave GGA, bottom tracking, São Francisco WATER VELOCITIES BY AN ADCP COUPLED WITH DGPS: QUALITY ANALYSES OF SAMPLING Abstract Celerity and accuracy of data acquirement are the primary benefits in using acoustic Doppler current profiler (ADCP) to measure discharge in rivers. The process has become widely used and survey teams have reached accurately data allied to a less time consuming work. Naturally, the performance of ADCP are subjected to errors that affect velocity measurements. When measuring velocity with an ADCP deployed on a moving vessel, the correct account of the boat velocity is crucial to resolve the water velocities in rivers. The boat velocity obtained by ADCP s bottom tracking may be biased in case of a non-static streambed. Track of position by GPS (Global Positioning System) works well as an alternative to get the boat velocity without moving bed effects, but it is also necessary to ensure good satellite signal for quality data acquaintance. The aim of this study is to identify the differences in boat velocity measured by ADCP s bottom track to the boat velocity computed by the GGA sentence obtained by DGPS (Differential Global Positioning System) tracking. The difference may represent a bias of bed load transport in this section of São Francisco River located right downstream the tailrace of Três Marias dam in Minas Gerais, Brazil. Keywords GGA, bottom tracking, São Francisco 1 Graduanda em Engenharia de Produção Civil do Centro de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET-MG). E-mail: dcardos3@gmail.com 2 Professora Adjunta do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET-MG). E-mail: hsantos@civil.cefetmg.br * Autor responsável pela submissão. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

INTRODUÇÃO A utilização do ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) tem provado ser um método mais rápido na medição de vazão em condições instáveis de escoamento do que os métodos convencionais. O sistema do ADCP também é capaz de medir com maior precisão, sendo necessário, no entanto, um vasto conhecimento do funcionamento de seu sistema operacional e de como operá-lo corretamente (Simpson, 2001). Em medições com o ADCP montado em uma embarcação, a estimativa correta da velocidade do barco é crucial para resolver as velocidades da água. A velocidade do barco pode ser medida pelo ADCP através do rastreamento de fundo feito pelo aparelho ou calculado pela sentença (GGA ou VTG) fornecida pelo GPS (Kashyap, 2007). No entanto, o desempenho do rastreamento de fundo do ADCP (Bottom Tracking) pode ser afetado por fontes de erro aleatórias ou bias. A maioria das incertezas aleatórias estão associadas a ruído (self noise) enquanto bias pode ser introduzido à velocidade do barco caso haja desprendimento de material do leito do rio ou intenso transporte de sedimentos (Simpson, 2001). A qualidade das sentenças do GPS estão sujeitas diretamente a erros de trajetória múltipla nas margens dos canais (GGA) e a mudanças na configuração dos satélites (ambas, GGA e VTG) (Kashyap, 2007). Para conseguir uma medida precisa da velocidade do barco usando o GPS, é de vital importância que a posição seja obtida com um sinal de correção diferencial fornecido por um GPS diferencial (DGPS - Differential Global Positioning System) (Wagner e Mueller, 2011). O objetivo do estudo foi (1) é identificar a diferença entre as velocidades do barco rastreadas pelo ADCP àquelas rastreadas pelo DGPS, (2) estimar o transporte de sedimentos a partir da intensidade do sinal refletido pelas partículas presentes na água e (3) avaliar a influência resultante na medição da velocidade da água. Velocidades da água foram medidas à jusante da barragem de Três Marias localizada no rio São Francisco em Minas Gerais a fim de calibrar e validar um modelo numérico tridimensional (Duarte, 2014). As medições foram realizadas com o uso de um ADCP montado em uma embarcação acoplado a um DGPS para aumentar a confiabilidade dos dados coletados. Nesse artigo são feitas considerações sobre a diferença entre as velocidades do barco rastreadas pelo ADCP àquelas rastreadas pelo DGPS apenas. Assume-se que a velocidade real do barco é aquela correspondente à velocidade calculada pelo DGPS uma vez que a precisão das velocidades do barco obtidas pelo bottom tracking do ADCP é limitada pela falta de dados de transporte de sedimentos nas seções estudadas do rio São Francisco. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Medição com ADCP Quando operado no modo água, o ADCP mede a velocidade e direção da água a partir do envio de sinais sonoros em direção ao fundo e, em seguida, aguarda o retorno das ondas refletidas pelas partículas que estão em suspensão na água. Por efeito Doppler, o ADCP calcula a velocidade em que as partículas se movimentam dentro da água e assume essa como sendo a velocidade da água. O ADCP é muitas vezes operado estando embarcado, de maneira que uma maior quantidade de dados é coletada em menor tempo. Movendo-se ao longo de uma trajetória (o mais retilínea possível), o dispositivo varre um maior número de verticais ao mesmo tempo em que interpola um maior número de velocidades dentro de cada célula delimitada (bin) produzindo estimativas mais robustas para a velocidade em cada vertical medida. Assim, o ADCP mede a velocidade da água em relação à velocidade do barco (ou do ADCP). Para obter as reais velocidades da água (vágua), as XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

velocidades obtidas pelo ADCP (vmedida) devem ser corrigidas em relação às velocidades do barco (vbarco) (Rennie e Rainville, 2006; Wagner e Mueller, 2011): á (1) A velocidade do barco pode ser determinada pelo rastreamento de fundo do ADCP (Bottom Tracking) ou pelo rastreamento do GPS. Bottom Tracking versus Rastreamento por GPS O bottom tracking também obtém a velocidade do barco por efeito Doppler medindo os pulsos refletidos pelo leito do rio. Assume-se que o leito do rio é estático. Caso contrário, a velocidade do barco obtida pelo ADCP sofrerá interferências causadas pelo transporte de sedimentos a jusante (Oberg et al., 2005). Qualquer interferência devido ao transporte de sedimentos é eliminada quando se utiliza um ADCP aclopado a um GPS. O GPS fornece duas opções para se determinar a velocidade do barco (Wagner e Mueller, 2011): (1) posição diferencial obtida por um GPS diferencial (DGPS) sentença GGA NMEA-0183 (National Marine Electronics Association-0183); e (2) velocidade entre a comunicação da antena com o satélite computada por efeito Doppler sentença VTG NMEA-0183. Quando se utiliza a sentença GGA do GPS para medir o movimento do ADCP, a velocidade do ADCP (ou do barco) é determinada dividindo-se a distância percorrida pelo rastreamento sucessivo das posições pelo tempo em que a troca entre posições ocorre. Muitos receptores GPS porém, podem ser utilizados para medir velocidade em relação ao solo por efeito Doppler a partir da troca entre as frequências de fase entre receptor e satélite, o que é normalmente relatado pela sentença VTG. Os aspectos relativos (1) à qualidade (confiabilidade e precisão) dos dados de GPS e (2) à referência dos dados do ADCP para o norte verdadeiro, o que é conseguido através da calibração da bússola interna e adoção da variação magnética local, devem ser considerados para a sentença GGA (ambos, 1 e 2) e para a sentença VTG (apenas 1) a fim de garantir maior confiabilidade dos dados. A precisão da posição é de vital importância para alcançar uma medida precisa da velocidade do ADCP ao usar a sentença GGA; portanto, um sinal de correção diferencial fornecido por um GPS diferencial (DGPS), é necessário. COLETA DE DADOS Área de Estudo Os dados foram coletados ao longo do rio São Francisco, em Minas Gerais, Brasil. A área de alcance do estudo é de cerca de 3 Km e vai de jusante do canal de fuga da usina hidrelétrica de Três Marias à ponte da BR-040 que atravessa o leito do rio (figura 1). Os perfis de magnitude e direção da velocidade foram tomados nessa área para calibrar e validar um modelo numérico tridimensional (Duarte, 2014). Figura 1 Área de estudo (Google Earth). XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

Equipamento Um ADCP Workhouse Rio Grande (1200 khz) desenvolvido por Teledyne RD Instruments (TRDI) foi usado em todas as medições de velocidade juntamente com o receptor GPS diferencial Topcon, modelo HypeLite. O DGPS utiliza o método cinemático em tempo real (RTK), que é o método mais preciso de levantamento em tempo real. Para isso, dois receptores (a base e o Rover) comunicam entre si pelo rádio durante os processos de navegação. O receptor Base coleta as medidas de fase portadora, gera correções RTK e envia esses dados para o receptor Rover. O Rover, acoplado ao ADCP, processa os dados transmitidos com as suas próprias observações da fase da portadora para calcular, a elevada precisão, conseguindo uma precisão RTK de até 1 cm (horizontais) e 1,5 cm (verticais) (TopCon, 2006). Seções Levantadas A área de estudo foi dividida em 11 seções e, em cada seção, os transectos foram coletados em números pares (recíprocos) para que a média entre eles representem condições de fluxo normal (Oberg et al., 2005). Mesmo não sendo a vazão a variável de interesse neste estudo, um total de quatro transectos foram coletados seguindo as recomendações típicas de medição de vazão com ADCP da TRDI (TELEDYNE RD Instruments, 2007). É importante ressaltar que não houve controle da velocidade do barco durante os trajetos. O piloto do barco foi, apenas, orientado a manter a velocidade o mais lenta possível no percurso entre as margens e a evitar acelerações e manobras abruptas. A área foi levantada em dois dias. ANÁLISE E MÉTODOS Os dados foram visualizados no software WinRiver II (TRDI). Os transectos foram selecionados de acordo com (1) o número de satélites usados na triangulação, (2) número de células boas (good bins), e (3) comprimento do transecto. Gamaro e Maldonado (2005) adotam critérios de controle da qualidade que não foram adotados na seleção dos transectos, mas que serão avaliados para os transectos escolhidos posteriormente (com exceção do seguinte critério: vazão medida measured Q maior que 50% da vazão total). Tal como para a determinação da posição, a medição da velocidade requer a utilização de, pelo menos, quatro satélites para que a qualidade do sinal seja acurada (Wagner e Mueller, 2011). Além disso, também deve ser considerado o número de mudanças de satélite. Um número alto de troca de satélites pode indicar sinal ruim, já que a unidade de DGPS mudou muitas vezes à procura de melhor sinal. Ao fazer uma medição de vazão individual, é essencial iniciar e finalizar a gravação de dados em água suficientemente profunda para permitir que a gravação seja válida. Uma extrapolação por ajuste de potência é feita para se obter a vazão nas regiões da superfície e do fundo e pelo menos duas células (bins) com profundidade e vazão válidas são necessários de modo a obter um ajuste mais preciso da energia (TELEDYNE RD Instruments, 2007). Dessa forma, foram selecionados transectos com número de good bins maior que dois, que deve fornecer dados de velocidade válidos (usados para calcular uma vazão válida). Finalmente, foi feita a triagem visual do comprimento dos transectos. Transectos incompletos (os de comprimento mais curto em comparação com os transectos recíprocos) foram eliminados da seção não sendo analisados. Com a aplicação desses critérios, restaram um total de 33 transectos para terem as velocidades do barco, em termos de sua referência, bottom tracking (BT) ou DGPS (GGA) avaliadas. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

Um arquivo.txt de saída de dados (output) foi exportado do WinRiver II para uma planilha no Microsoft Excel. Para cada um, dos 33 transectos selecionados, foram exportados o número de good bins, velocidade do barco (BT e GGA) e as velocidades de água computada (BT e GGA). Em seguida, os dados foram filtrados pelo número de good bins ( 2). Alguns valores extremos foram facilmente identificados pelos seus valores mais altos e eliminados do conjunto de dados (spikes). Diagramas de correlação foram construídos para as velocidades do barco obtidas pelo BT e DGPS. A diferença percentual foi calculada e organizada em histogramas para visualização. Assumiu-se que a real velocidade do barco corresponde à velocidade do DGPS (vgga); assim, o erro percentual (ve) nas velocidades obtidas pelo bottom tracking (vbt) foram obtidos por: 100 (2) Usou-se desse pressuposto devido à limitação na identificação de a velocidade do barco obtida pelo rastreamento de fundo do ADCP ter sido ou não alterada por transporte de sedimentos no leito do rio. Como mencionado anteriormente, a utilização do GPS com o ADCP elimina qualquer interferência do movimento de sedimentos nas medições de velocidade, sendo a precisão do GPS crítica nesses casos. No entanto, as limitações do GPS são amenizadas pela utilização da unidade de DGPS (Kashyap, 2007; Wagner e Mueller, 2011) cuja precisão já foram discutidos em função da velocidade da água e de medições de vazão (Rennie e Rainville, 2006) e pelo fabricante (TopCon, 2006). RESULTADOS O nível de proximidade entre a velocidade do barco obtida pelo BT e pelo DGPS é muito baixo em 75,76% dos transectos, com coeficiente de correlação linear (R 2 ) entre 0-0,50. Os demais (24,24%) apresentam o mesmo coeficiente entre 0,50-1,00. Na tabela 1, estão destacadas as estatísticas do transecto 25, que apresentou o maior coeficiente de correlação linear (figura 2) entre os 33 transectos e as estatísticas do transecto 04, que teve o pior coeficiente de correlação linear da série analizada (figura 3). Para os transectos em questão, quando da associação com outros transectos (recíprocos ou não) na mesma seção, observou-se um aumento dos coeficientes de correlação linear em relação aos menores coeficientes obtidos individualmente (tabela 1). O transecto 25 apresenta R 2 de 0,9178 (figura 2), no entanto, os transectos 26 e 27, coletados na mesma seção, apresentam R 2 Tabela 1 Transectos com melhor e pior coeficiente de correlação linear: estatíticas individuais e quando associados a outros transectos medidos na mesma seção. Coleta Transecto Coeficiente de correlação linear, R 2 Erro percentual ** Individual Observado Associação Individual Associação 25/10 12 0,4284 ± 10% 25/10 14 0,1615 ± 20% ± 10% 24/10 25 0,9178 0,5399 + 50% + 30% 24/10 26 0,2030 + 140% + 40% 24/10 27 0,1641 + 30% 25/10 04 0,0083 + 90% + 90% 25/10 06 0,0186 0,6736 + 80% + 80% 24/10 69 0,0357 + 40% - ** Em pelo menos 50% das velocidades obtidas com BT em relação ao GGA, a diferença percentual observada foi de até ± X% XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

muito menores. A mesma tendência de diferenças entre coeficientes é observada nos transectos 12 e 14 (tabela 1). A figura 4 mostra o perfil de velocidades da água calculada em relação às velocidades do barco obtidas pelo BT e pelo GGA (DGPS) para o transecto 25. O transecto atende aos critérios de qualidade apontados por Gamaro e Maldonado (2005) com destaque ao critério de velocidade do barco ser menor que a velocidade da água, que, dependendo da referência das velocidades (BT ou GGA), apresentou significativa diferença: Bad ensemble = 4,38 % (<10%). Bad bins = 2% (<25%). Pitch = -0,91 e Roll = 0,59 (< 10 ). A velocidade do barco foi menor que a velocidade da água (desejável) em 29,44% dos dados coletados no transecto 25 (ref. BT); A velocidade do barco foi menor que a velocidade da água em 70,56% do total coletado (ref. GGA). Figura 2 - Diagrama de correlação para a velocidade do barco no transecto 25 ref. GGA versus ref. BT em m/s (Excel). Figura 3 Diagrama de correlação para a velocidade do barco no transecto 04 - ref. GGA versus ref. BT em m/s (Excel). Os transectos 04, 06 e 69 apresentaram, individualmente, os piores coeficientes de correlação linear, tendo o transecto 04 apresentado o pior deles: 0,0083 (tabela 1 e figura 3). No entanto, quando associados, o aumento da proximidade entre a velocidade do barco obtida pelo BT e pelo DGPS é substancial (0,6736), porém pouco representativo, uma vez que não é verificada a qualidade dos transectos sob vários dos critérios apontados Gamaro e Maldonado (2005): Bad ensemble = 37,22 % (<10%). Bad bins = 31% (<25%). Pitch = -1,49 e Roll = 2,00 (< 10 ). Figura 4 Transecto 25 (WinRiverII). XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

A velocidade do barco foi menor que a velocidade da água (desejável) em 0,64% dos dados coletados no transecto 04 (ref. BT); A velocidade do barco foi menor que a velocidade da água em 100% do total coletado (ref. GGA). Na figura 5 a seguir, é notável a quantidade de células não medidas (células em branco). CONCLUSÃO Figura 5 Transecto 04 (WinRiverII). A análise de proximidade entre as velocidades do barco rastreadas pelo ADCP àquelas rastreadas pelo DGPS exibiu um baixo coeficiente de correlação linear em 25 dos 33 transectos analisados, nos quais a diferença percentual é grande. Os índices de correlação observados demonstram, no entanto, que os critérios adotados na seleção dos transectos (número de satélites usados na triangulação, número de good bins e comprimento do transecto), sozinhos, não foram suficientes para eliminar os transectos de baixa qualidade da série a ser analisada, o que sugere que a adoção de critérios de qualidade recomendados por Teledyne Rd Instruments (2007) e discutidos por Gamaro e Maldonado (2005) podem contribuir na seleção de transectos mais robustos quanto à qualidade, influenciando nas estatísticas de correlação e diferença percentual. Ainda assim, dois dos cinco critérios de qualidade apontados por (Gamaro e Maldonado (2005)) foram verificados para o transecto 04, de baixa qualidade; logo a análise dos dados obtidos com o ADCP deve sempre ser realizada com parcimônia. Nos oito transectos restantes, o melhor índice de proximidade entre as velocidades do barco rastreadas pelo ADCP àquelas rastreadas pelo DGPS não foi acompanhado pela redução nas diferenças percentuais. Essas continuaram a refletir distâncias altas (de até 50% no transecto 25, que apresentou melhor coeficiente de correlação linear). Porém, a distância entre as velocidades do barco rastreadas pelo ADCP àquelas rastreadas pelo DGPS evidenciam que alterações, possivelmente causadas por efeito do movimento de sedimentos no leito do rio (moving bottom), podem estar sendo contabilizadas à velocidade do barco obtidas pelo bottom tracking, uma vez que o rastreamento do DGPS elimina as interferências causadas pelo movimento do leito do rio. A limitação do estudo é exatamente a ausência de dados da movimentação de sedimentos do leito do rio. Testes de transporte de sendimentos (Moving Bed Test) anteriores às medições de velocidade da água não foram realizados em campo e a falta desses dados impossibilita quantificar o bias devido a não estaticidade do leito do rio nas velocidades do barco obtidas pelo bottom tracking. O desconhecimento dos valores de velocidade das partículas de fundo (velocidade de arrasto) impede XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

ainda, a correção (caso sejam diferentes de 0) das velocidades do barco obtidas pelo bottom tracking e a avaliação das possíveis alterações na velocidade contabilizada para a água. REFERÊNCIAS DUARTE, B.A. (2014). Simulação numérica tridimensional de escoamentos livres: uma análise do trecho à jusante da usina hidrelétrica de Três Marias. Dissertação de Mestrado, CEFET-MG Belo Horizonte-MG, 85 p. GAMARO, P.E.; MALDONADO, L.H. (2005). Controle de qualidade para medições de vazões com ADCP: estudo de casos. In Anais do XVIII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, Campo Grande-MS. KASHYAP, S. (2007). Optimization of ADCP and GPS Position and Velocity Measurements using a Kalman Filter. Master of Applied Science in Civil Engineering, University of Ottawa Ottawa, Canada. OBERG, K.A.; MORLOCK, S.E.; CALDWELL, W.S. (2005). Quality-Assurance Plan for Discharge Measurement Using Acoustic Doppler Current Profilers, U.S. Geological Survey. RENNIE, C.D.; RAINVILLE, F. (2006). Case study of precision of GPS differential correction strategies: Influence on adcp velocity and discharge estimates. Journal of Hydraulic Engineering 132(3): 225-234. SIMPSON, M.R. (2001). Discharge Measurement Using a Broad-Band Acoustic Doppler Current Profiler. Sacramento, California, US Geological Survey. TELEDYNE RD INSTRUMENTS (2007). WinRiver II User's Guide. TOPCON, P.S.I. (2006). Hiper + operator's manual. WAGNER, C.R.; MUELLER, D.S. (2011). Comparison of bottom-track to global positioning system referenced discharges measured using an acoustic Doppler current profiler. Journal of Hydrology 401(3-4): 250-258. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8