MONITORIZAÇÃO BATIMÉTRICA PARA GESTÃO DE ALBUFEIRAS: ESTUDO PILOTO Maria Teresa Álvares (1) Engenheira Biofísica pela Universidade de Évora. Mestre em Hidráulica e Recursos Hídricos pelo Instituto Superior Técnico. Técnica Superior de 1 a Classe do Quadro da ex-dgrn (INAG), na Direcção de Serviços de Recursos Hídricos, trabalhando essencialmente na área de sedimentação em albufeiras. Sónia Fernandes Engenheira Geógrafa. Ana Catarina Mariano Engenheira de Minas. Maria Teresa Pimenta Engenheira Agrícola. Endereço (1) : Av. Almirante Gago Coutinho, n o 30 12 o piso 1049 066 Lisboa - Portugal - Tel: (351) 21 843 03 47 - Fax: (351) 21 840 92 18 - e-mail: teresaa@inag.pt RESUMO No âmbito da restruturação das redes de monitorização do Instituto da Água (INAG), foi adquirido recentemente equipamento hidrográfico para elaboração de levantamentos batimétricos em albufeiras e cursos de água. Estes trabalhos permitirão determinar volumes de sedimentos depositados e sua evolução no tempo, possibilitando ainda o cálculo de volumes de armazenamento ou curvas de capacidade das albufeiras (e sua actualização), necessárias à modelação e gestão de albufeiras e bacias hidrográficas. A informação recolhida será disponibilizada no site do INAG, onde poderá ser consultada sob a forma de mapas temáticos. Serão feitos esforços no sentido de recolher e processar toda a informação cartográfica existente, anterior e posterior à construção das barragens (sendo necessário, em alguns casos, proceder à sua digitalização), de modo a possibilitar uma análise evolutiva (temporal). O sistema utilizado é constituído essencialmente por uma sonda hidrográfica e um sistema de posicionamento diferencial para funcionar em tempo real e com inicialização em movimento (dupla frequência). Com base numa metodologia, previamente definida, para execução de levantamentos batimétricos e processamento da informação recolhida, apresentam-se os resultados obtidos a partir dos primeiros levantamentos efectuados: alguns perfis obtidos pela sonda e o modelo numérico do fundo da albufeira calculado no SIG. Discutem-se os resultados das diferentes etapas de pós-processamento, como sejam a utilização de diferentes métodos de interpolação e o número de pontos utilizados para a obtenção da superfície batimétrica, apresentando-se também uma breve análise dos erros associados à informação espacial. PALAVRAS-CHAVE: Batimetria, sedimentação, sonda hidrográfica, GPS, SIG.
INTRODUÇÃO O Instituto da Água tem vindo a proceder à reestruturação das suas redes de monitorização, nomeadamente a rede sedimentológica, sentindo-se a necessidade de realizar periodicamente levantamentos hidrográficos em albufeiras para determinação da sedimentação e cálculo de volumes de armazenamento ou curvas de capacidade das albufeiras, necessárias à modelação e gestão de recursos hídricos. Neste âmbito estão também a ser feitos esforços, no sentido de recolher e processar toda a informação cartográfica existente, anterior e posterior à construção das barragens (sendo necessário, em alguns casos, proceder à sua digitalização), de modo a possibilitar uma análise evolutiva. Actualmente os levantamentos batimétricos combinam, em tempo real, medidas de posicionamento e leituras de profundidade provenientes de sondas hidrográficas. O equipamento adequado para determinar as posições exactas das profundidades na água é obviamente o GPS (Global Position System - Sistema de Posicionamento Global) especialmente para grandes distâncias. Deste modo, num levantamento batimétrico, obtêm-se a profundidade (fornecida pela sonda) e a posição (dada pelo GPS), para cada ponto, de onde resulta um conjunto de pontos de profundidades, referenciados geograficamente, a partir dos quais se estimam as superfícies batimétricas de fundo de albufeiras ou de troços de rios, podendo ser expressa em profundidades ou em cotas. Os levantamentos batimétricos existentes no INAG têm sido realizados pelos serviços regionais que possuem uma sonda hidrográfica cujo posicionamento é obtido por métodos de topografia clássica. O aparecimento recente de pequenas sondas hidrográficas ligadas a sistemas de posicionamento por satélite e a computadores, elimina por completo o processo da digitalização da informação em gabinete tornando a tarefa dos levantamentos hidrográficos menos morosa e mais fiável. EQUIPAMENTO Para levar a cabo periodicamente os referidos levantamentos, o INAG adquiriu um sistema constituído essencialmente por uma sonda hidrográfica portátil de baixo consumo energético, modelo EA-501P (funcionando com um transdutor de 200 khz tipo 200-7-G), da marca SIMRAD, que combina as mais recentes potencialidades tecnológicas das sondas hidrográficas com os últimos desenvolvimentos dos computadores portáteis. Basicamente o conjunto do equipamento hidrográfico é constituído por uma fonte de alimentação, um transdutor e uma unidade transmissora/receptora (EA 501P), que funciona com um computador portátil. A sonda EA 501P está equipada com um transdutor indicado para detectar profundidades de 0.80 m até aos 600 m em água doce e com um receptor bastante sofisticado, caracterizado pela elevada precisão das medições e pela grande amplitude no intervalo de detecção (-160 dbw até 0 dbw). O software que está instalado no computador faz o processamento do sinal, controla o transmissor/receptor e processa os dados recebidos. O sistema dispõe de capacidades de pós-processamento da informação, permitindo seleccionar os dados a gravar, alterar algumas das especificações feitas durante o levantamento e além disso permite também a visualização dos ficheiros gravados durante os levantamentos.
No âmbito deste trabalho foi também necessário equipar o INAG com um sistema de posicionamento diferencial para funcionar em tempo real e com inicialização em movimento (dupla frequência) composto por dois receptores SR9500 e um sistema de comunicação via rádio modem, da marca Leica. O sistema GPS adquirido permite obter precisões na ordem dos 5 a 10 mm ± 1ppm, em modo estático e em modo cinemático com valores de 1 a 2 cm ± 1ppm, em posicionamento horizontal. A sincronização entre a sonda e o GPS faz-se através de mensagens NMEA enviadas pelo GPS para a sonda e é o software da sonda que correlaciona e guarda correctamente os dois tipos de medições (posição e profundidade). Na Figura 1 apresenta-se uma imagem com o esquema de montagem de todo o equipamento. Figura 1 - Equipamento utilizado sonda hidrográfica e GPS. Antena GPS Antena rádio Transdutor ESTUDO PILOTO Os diferentes procedimentos a efectuar em cada levantamento, conforme a metodologia previamente estabelecida (Mariano, 2000) e esquematizado na Figura 2, foram testados na albufeira da Vigia, situada perto de Évora, na bacia do rio Degebe (afluente do rio Guadiana). Na altura em que se realizaram os primeiros levantamentos, a albufeira encontrava-se a cerca de 25% da sua capacidade máxima de armazenamento. Esta situação não será a ideal para o efeito, mas as condições hidrológico-ambientais da altura, assim o requereram.
Figura 2 - Esquema com as principais etapas da metodologia aplicada. SIG Selecção de marcos geodésicos MISSÃO GPS Coordenadas dos marcos geodésicos Unidade de referência SKI PRO Cálculo de parâmetros de transformação locais SONDA Execução dos perfis batimétricos SOFTWARE DA SONDA Visualização VISUAL BASIC Processamento de dados OUTROS LEVANTAMENTOS Visualização SIG Visualização, edição e cálculo de superfícies Superfícies A preparação do levantamento batimétrico começou pela selecção dos marcos geodésicos circundantes à albufeira e pela análise das distâncias e visibilidades entre os diferentes marcos, da qual resultou a selecção dos marcos a coordenar e daquele que serviu de unidade de referência nesta missão. As coordenadas obtidas pelos Sistemas de Posicionamento Global, referem-se ao datum WGS84 e a cartografia de trabalho do INAG, está referenciada ao datum Lisboa. Para transformação de um sistema no outro, aplica-se geralmente um conjunto de constantes de um dos modelos globais existentes para cada área do globo: Molodensky ou Bursa-Wolf. Para um posicionamento mais rigoroso no sistema de coordenadas militares (Datum Lisboa), do levantamento batimétrico a efectuar, determinaram-se os parâmetros de transformação locais. Neste sentido, a referida missão GPS foi efectuada em modo estático para obtenção das coordenadas dos marcos geodésicos circundantes à albufeira, seleccionados anteriormente. Os parâmetros de transformação locais calculados pelo programa SKI-Pro, apresentam-se no Quadro 1 e os valores dos resíduos entre os dois sistemas de coordenadas no Quadro 2.
Quadro 1 - Parâmetros de transformação locais de datum WGS84 (sistema A) para datum Lisboa Vigia (sistema B). Número Parâmetro Valor R.M.S (Root-Mean-Square) Unidades 1 Deslocamento em X 243.0367 37.0681 m 2 Deslocamento em Y -10.8070 60.4779 m 3 Deslocamento em Z 166.5918 42.0487 m 4 Rotação em X -6.64180 1.52815 m 5 Rotação em Y -7.07987 1.44444 m 6 Rotação em Z -7.75975 1.64548 m 7 Factor de escala -19.9945 5.2427 ppm Quadro 2 - Valores dos resíduos entre os dois sistemas. Sistema A Sistema B dx dy DZ Aldeias Aldeias -0.0046-0.0361 0.0045 Canas AM Canas AM -0.0076-0.0028-0.0007 Gaivota Gaivota -0.0231 0.0386 0.0380 Grou Grou 0.0353 0.0003-0.0418 Estes parâmetros foram introduzidos na unidade GPS de referência e foi efectuado o levantamento batimétrico, tendo-se testado as diferentes funcionalidades e operacionalidade de todo o equipamento, como por exemplo: navegação com utilização de uma linha definida no GPS, distância entre fiadas e frequência de emissão de sinal ping de 1 segundo, 0.5, 0.2 e 0.1 segundo. Os dados recolhidos são processados em tempo real, originando: ecogramas (perfis) coloridos, que são visualizados no écran do computador ou em saídas gráficas da impressora; e tabelas, que são guardadas em ficheiros no disco rígido do PC. A visualização dos perfis efectuados (Figura 3) e obtenção de ficheiros binários de profundidade, com utilização do software da sonda, é o primeiro passo após o levantamento. Os ficheiros de profundidade foram convertidos em ficheiros com formato ASCII, recorrendo a um software cedido pela SIMRAD. Com a aplicação desenvolvida em Visual Basic (VB), foi seleccionada a informação relevante e transformada em ficheiros compatíveis com o SIG utilizado. Esta informação foi depois visualizada no SIG, tendo sido alvo de uma análise qualitativa detalhada e uma nova edição para eliminar os pontos com qualidade duvidosa ou deficiente (Figura 4).
Figura 3 - Exemplo de um ecograma (as cores mais escuras correspondem a um sinal mais forte de detecção do fundo). Vegetação arbustiva submersa Informação de navegação (hora, dia, coordenadas (M e P) Provável cardume Camada lodosa Fundo detectado Perda de sinal em profundidade Sinal reflectido Figura 4 - Visualização dos pontos originais (A) e pontos após edição (B). (A) (B) Foi então calculada a superfície batimétrica, que deve ser expressa preferencialmente em cotas, de modo a permitir a correlação de levantamentos feitos com níveis de
armazenamento diferente. A referida superfície foi estimada utilizando diferentes métodos de interpolação, parâmetros, resoluções e conjuntos de pontos, no sentido de melhor adequar os modelos gerados à realidade. MODELO BATIMÉTRICO Pelas características da distribuição de pontos a interpolar, o método que se mostrou mais adequado foi o método de interpolação em função do inverso da distância (Inverse Distance Weighted - IDW). Comparando as superfícies assim obtidas com vizinhanças de 4, 6, 8 e 12 pontos, notou-se que quanto maior o número de vizinhos utilizados no cálculo mais homogénea fica a superfície batimétrica. Foram ainda comparadas as superfícies obtidas a partir da totalidade dos pontos e a partir de uma selecção de pontos, para verificação da qualidade da superfície gerada nos pontos não seleccionados. Na Figura 5 apresenta-se um exemplo da superfície calculada com 12 pontos vizinhos, com uma resolução de 1 metro e para duas situações: com a totalidade dos pontos e com um sub-conjunto de pontos cujo identificador é múltiplo de 5. Pode observar-se que a superfície gerada com menor número de pontos é mais regular, com menos descontinuidades. No entanto, os valores da média e do desvio padrão de ambas são muito próximos, apresentando a matriz de diferenças um mínimo de 5.6 metros, um máximo de 12.1 metros e uma média e desvio padrão de 0.03 e 0.44, respectivamente. Figura 5 - Superfície batimétrica calculada pelo método de interpolação IDW, com 12 vizinhos e uma resolução de 1 metro, utilizando todos os pontos (A) e um sub-conjunto de pontos (B). Zona 2 Zona 1 (A) (B) Verificou-se também que existe uma forte relação entre a superfície calculada (Figura 5A) e a distância entre fiadas (Figura 4), notando-se claramente que em zonas onde o levantamento foi efectuado com uma maior densidade de fiadas, em que a distância entre fiadas é inferior a 30 metros (zona 1), a superfície estimada apresenta uma continuidade que parece representar melhor a realidade. Nas áreas em que existe uma grande distância entre fiadas, a superfície apresenta descontinuidades que não se coadunam com a realidade (zona 2).
CONCLUSÕES E DESENVOLVIMENTOS FUTUROS Durante o levantamento, verificou-se de imediato que é necessário coordenar vários pontos ao longo da albufeira, para instalação da unidade de referência do GPS, sempre que existam obstáculos que interfiram na comunicação de rádio das unidades GPS. Estas interferências se forem de curta duração, originam um posicionamento sem correcção diferencial e se forem muito longas, fazem com que não sejam determinadas posições. O processamento de dados em gabinete, permite-nos concluir que a melhor distância entre fiadas pode variar entre os 10 e os 30 m, dependendo da zona da albufeira em que nos encontramos: se estamos numa zona com acentuada mudança de direcção ou numa zona mais uniforme, respectivamente. O levantamento deve ser efectuado utilizando uma frequência de emissão de sinal (ping) de 0.1 segundo e a uma velocidade baixa. A comparação das estatísticas descritivas (média, mínimo, máximo e desvio padrão) dos valores estimados, utilizando diferentes números de vizinhos, com os valores observados revelou-se inconclusiva, pelo que a selecção dos melhores parâmetros a utilizar está a ser efectuada pelo método da validação cruzada. Para a obtenção de um modelo batimétrico o mais rigoroso possível, não deve ser efectuada qualquer selecção de pontos, pois deste modo estamos a eliminar observações reais, ainda que com alguma redundância, embora a superfície gerada com menor número de pontos pareça mais homogénea. Será mais correcto trabalhar com uma frequência de transmissão de posição do GPS para a sonda um pouco menor, de modo a eliminar redundâncias da informação recolhida, pelo que serão efectuados novos testes para uma frequência de 3 segundos em vez de um segundo. A utilização de outro método de interpolação, para cálculo da superfície batimétrica, deve ainda ser alvo de uma análise mais detalhada. Verificou-se ainda ser necessário a execução simultânea de um levantamento topográfico da zona envolvente da albufeira (utilizando o mesmo equipamento GPS), para complementar a informação batimétrica. O presente trabalho serviu de base para a execução de futuros levantamentos em albufeiras, introduzindo apenas pequenas alterações de acordo com as diferentes áreas em estudo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Instituto da Água Direcção de Serviços de Recursos Hídricos. Proposta de restruturação da rede de monitorização de recursos hídricos - Bacias Hidrográficas a Sul do Tejo (Versão Final), Maio de 1998. 2. Konsgsberg Simrad, Instruction Manual Simrad EA 501P, Horten, Norway, 1998. 3. Leica Geosystems AG, GPS System 300 RT-SKI User Manual Versão 3.50, Heerbrugg, Switzerland, 1997. 4. Mariano A.C., Álvares, M.T., Pimenta, M.T. e Fernandes, S. Definição de uma metodologia de monitorização batimétrica para gestão de albufeiras, artigo submetido ao 1º Congresso sobre aproveitamentos e gestão de recursos hídricos em países de idioma português, Rio de Janeiro, Brasil, 2000. 5. Meijerink, A.M.J.; Brouwer, H.A.M.; Mannaerts, C.M. and Valenzuela, C., Introduction to the use of Geographic Information Systems for Practical Hydrology. Publication Number 23 of International Institute for Aerospace Survey and Earth Sciences (ITC), Enschede, The Netherlands, 1994. 6. Neves, M. F. T. e Caldas, H. M. D. Sistema Global de Posicionamento O Modo Diferencial em Tempo Real. Lisboa, 1992. 7. Nicolau, R.; Rodrigues, R.R.; Ribeiro, L. e Câmara, A.S. Modelação e Mapeamento da Distribuição Espacial de Precipitação. ESIG 99, Lisboa-Tagus Park, 1999.