TÉCNICAS DE ENTROPIA E DE GEOESTATÍSTICA NO DIMENSIONAMENTO DE REDES PLUVIOMÉTRICAS

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AMBIENTAL GLAUCO DUTRA MOULIN TÉCNICAS DE ENTROPIA E DE GEOESTATÍSTICA NO DIMENSIONAMENTO DE REDES PLUVIOMÉTRICAS VITÓRIA 2005

GLAUCO DUTRA MOULIN TÉCNICAS DE ENTROPIA E DE GEOESTATÍSTICA NO DIMENSIONAMENTO DE REDES PLUVIOMÉTRICAS Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Ambiental do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Ambiental. Orientador: Prof. Dr. Edmilson Costa Teixeira Co-Orientador: Prof. Dr. Mário de Castro Andrade Filho Vitória 2005

GLAUCO DUTRA MOULIN TÉCNICAS DE ENTROPIA E DE GEOESTATÍSTICA NO DIMENSIONAMENTO DE REDES PLUVIOMÉTRICAS Dissertação apresentada ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Ambiental, área de concentração em Recursos Hídricos. Aprovada, em 25 de Fevereiro de 2005 COMISSÃO EXAMINADORA Prof. Dr. Antônio Sérgio Ferreira de Mendonça DEA/UFES Examinador Interno Prof. Dr. Vicente de Paulo Rodrigues da Silva UFCG Examinador Externo

Dedico este trabalho ao meu filho Lorenzo, razão da minha vida. Dedico também aos meus pais Joubert de Azevedo Moulin e Lanir Dutra Moulin, por terem me concedido à vida.

AGRADECIMENTOS Primeiramente agradeço a DEUS, que patrocinou este trabalho, assim como tudo que faço. Ao Professor Edmilson Costa Teixeira, orientador dessa dissertação, pela sua dedicação, apoio, recomendações e confiança, primordiais em todas as etapas. Ao Professor Mário de Castro, co-orientador, que nos colocou no rumo do programa do cálculo da entropia, dedicou-me tempo, atenção, apoio e colaboração, viabilizando tecnicamente este projeto. Ao Grupo de Estudos e Ações em Recursos Hídricos GEARH e seus funcionários, que nos viabilizaram a obtenção dos dados e sua interpretação sempre consoante com o interesse desse grupo de pesquisa. Aos Professores do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, quem me proporcionaram conhecimentos suficientes para a elaboração desta dissertação e pelo incondicional apoio. Aos Colegas do Laboratório de Informática de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental pelos incontáveis momentos de convivência. Ao IEMA, representado por todos os funcionários, que apoiaram e compreenderam as dificuldades e a importância da capacitação por nós pretendida. Aos colegas da Escola Municipal de Ensino Fundamental Prezideu Amorim e tantas outras pessoas que direta ou indiretamente acreditaram neste projeto de pesquisa e nos prestaram apoio e colaboração.

Depois de algum tempo, você aprende a diferença entre dar a mão e acorrentar uma alma... Aprende que o tempo não é algo que possa voltar atrás, portanto, plante seu jardim e decore sua alma, em vez de esperar que alguém lhe traga flores. E você aprende que realmente pode suportar... que realmente é forte... e que pode ir mais longe depois de pensar que não pode mais. E que a vida tem valor e você tem valor diante da vida! Nossas dádivas são traidoras e nos fazem perder o bem e a felicidade plena que poderíamos conquistar, se não fosse o medo de tentar. William Shakespeare

RESUMO O planejamento e dimensionamento de projetos em recursos hídricos demandam informações hidrológicas regionais e consistentes. Estas informações quando obtidas de forma precisa, não só reduzem as chances de falhas nos projetos, como também minimizam os custos operacionais. Portanto, é decisivo que o planejamento e o dimensionamento de uma rede hidrológica seja embasado cientificamente. Este trabalho apresenta uma metodologia, usando o conceito de entropia, para estimar incertezas pluviométricas regionais. Tal metodologia foi aplicada para selecionar um número ótimo de estações pluviométricas de uma rede existente, usando o princípio da maximização da informação transmitida. O cálculo da entropia, seja para estações individuais ou para conjuntos de estações, depende da distribuição de probabilidade. Neste trabalho, os termos obtidos partiram de uma distribuição de probabilidade gama. O grau de ajuste à distribuição gama dos valores observados foi avaliado através do teste de Kolmogorov Smirnov. A partir da entrada de dados totais anuais de precipitação pluvial de 18 postos pluviométricos do Estado do Espírito Santo, localizados nas bacias hidrográficas dos rios Itaúnas e São Mateus, observados no período de 1970 até 2000, foram geradas rotinas de programação no programa R que permitiram tratar a informação de base e possibilitar a obtenção da melhor configuração da rede de monitoramento. Os estudos mostraram que, a rede utilizada neste projeto-piloto, constituída por 18 estações pode ser reduzida para 15 estações. Os resultados obtidos pelo modelo estatístico são expressos na forma de mapas de entropia, onde são observados os intervalos correspondentes ao grau de incerteza associado ao fenômeno da precipitação, identificando regiões ou áreas com maior ou menor entropia. Palavras-chave: entropia; teoria de Shannon; dimensionamento de redes pluviométricas; incerteza.

ABSTRACT The planning and design of projects in water resources demand information regional and solid hydrological. This information when obtained in an exact way, not only they reduce the chances of flaws in the projects, as well as they minimize the operational costs. Therefore, it is decisive that a net hydrological should be drifted and designed scientifically. Their work presents a methodology, using the entropy concept, to esteem uncertainties regional rainfall. The methodology described in this work was applied to select a great number of stations of an existent net, using the beginning of the maximization of the transmitted information. The calculation of the entropy, be for individual stations or for groups of stations, it depends on the distribution of probability. In this work, the obtained terms left of a distribution of probability gama. The adjustment degree to the distribution gama of the observed values was evaluated through the test of Kolmogorov - Smirnov. Starting from the entrance of annual total data of pluvial precipitation of 18 put precipitation of the State of Espírito Saint, located in the basins hydrological of the rivers Itaúnas and São Mateus, observed in the period of 1970 up to 2000, programming routines were generated in the program R that allowed to treat the base information and being possible to obtain the best configuration of the hydrologic network. The studies showed that, the net used in this project-, constituted by 18 stations can be reduced for 15 stations. The results obtained by the statistical model are expressed in the form of entropy maps, where the intervals corresponding to the uncertainty degree associated to the phenomenon of the precipitation are observed, identifying areas or areas with adult or smaller entropy. Keywords: entropy; theory of Shannon; network design; uncertainty.

LISTA DE TABELAS E FIGURAS Tabela 01 - Erro relativo percentual (%) referente à estimativa de valores anuais de precipitação tomando-se como referência a estação 02... 54 Tabela 02 - Resultados do ajuste pela distribuição gama... 57 Tabela 03 - Resultados dos valores de entropia encontrados para cada estação... 63 Tabela 04 - Matriz da transmissão da informação... 64 Tabela 05 - Resultados de configuração da rede pluviométrica... 65 Tabela 06 - Resultados de configuração da rede pluviométrica... 67 Figura 01 - Mapa de localização das estações pluviométricas 60 Figura 02 - Valores máximos, médios e mínimos de precipitação para cada ano observado no período de 1970 a 2000... 56 Figura 03 - Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 01... 58 Figura 04 - Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 02... 58 Figura 05 - Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 03... 59 Figura 06 - Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 04... 59 Figura 07 - Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 05... 59 Figura 08 - Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 06... 59 Figura 09 - Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 07... 60 Figura 10 - Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 08... 60 Figura 11 - Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 09... 60 Figura 12 - Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 10... 60

Figura 13 - Figura 14 - Figura 15 - Figura 16 - Figura 17 - Figura 18 - Figura 19 - Figura 20 - Figura 21 - Figura 22 - Figura 23 - Figura 24 - Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 11... 61 Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 12... 61 Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 13... 61 Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 14... 61 Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 15... 62 Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 16... 62 Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 17... 62 Ajuste obtido com a distribuição de probabilidade gama entre os valores observados e os valores esperados de precipitação total anual para a estação 18... 62 Transmissão da informação versus número ótimo de estações... 66 Valores de precipitação obtidos pelos métodos de entropia e de geoestatística em mm... 68 Valores de variância de estimativa obtidos pelos métodos de entropia e de geoestatística... 69 Configuração ótima de rede pluviométrica considerando apenas 1 estação obtida pelo método da entropia e geoestatístico... 70 Figura 25 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 2 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 70 Figura 26 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 3 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 71 Figura 27 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 4 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 71 Figura 28 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 5 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 72 Figura 29 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 6 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 72 Figura 30 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 7 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 73 Figura 31 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 8 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 73 Figura 32 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 9 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 74

Figura 33 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 10 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 74 Figura 34 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 11 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 75 Figura 35 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 12 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 75 Figura 36 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 13 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 76 Figura 37 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 14 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 76 Figura 38 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 15 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 77 Figura 39 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 16 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 77 Figura 40 - Configuração ótima de rede pluviométrica considerando 17 estações obtidas pelo método da entropia e geoestatístico... 78

SUMÁRIO RESUMO... 6 ABSTRACT... 7 1 INTRODUÇÃO... 17 1.1 DEFINIÇÃO DO PROBLEMA... 17 1.2 RELEVÂNCIA... 18 1.3 OBJETIVOS... 20 1.3.1 Objetivos gerais... 20 1.3.2 Objetivos específicos... 20 1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO... 20 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 22 2.1 CONCEITOS BÁSICOS... 22 2.2 FATORES FÍSICOS ENVOLVIDOS NA FORMAÇÃO DA PRECIPITAÇÃO... 23 2.3 CLASSIFICAÇÃO DAS PRECIPITAÇÕES... 25 2.4 INFLUÊNCIA DOS FATORES FISIOGRÁFICOS E CLIMÁTICOS NA DISTRIBUIÇÃO DA PRECIPITAÇÃO... 26 2.4.1 Relevo... 27 2.4.2 Altitude...... 28 2.4.3 Continentalidade... 29 2.4.4 Vento... 30 2.5 ESTADO-DA-ARTE.... 30 2.5.1 Aplicação da geoestatística no dimensionamento de redes de precipitação... 31 2.5.2 Aplicação do método da entropia na avaliação de precipitação numa região... 33 2.5.2.1 Método da entropia... 33 2.5.2.2 Distribuição de probabilidade gama... 37 3 METODOLOGIA... 41 3.1 SELEÇÃO E AJUSTE DAS SÉRIES DE PRECIPITAÇÃO ANALISADAS... 41 3.2 DETERMINAÇÃO DA FUNÇÃO DENSIDADE DE PROBABILIDADE DOS DADOS DE PRECIPITAÇÃO... 43

3.3 CÁLCULO DA ENTROPIA E DA TRANSMISSÃO DA INFORMAÇÃO ENTRE AS ESTAÇÕES... 45 3.4 MAXIMIZAÇÃO DA INFORMAÇÃO TRANSMITIDA MÉTODO DA ENTROPIA... 47 3.5 MÉTODO GEOESTATÍSTICO... 49 3.6 UTILIZAÇÃO CONJUNTA DOS MÉTODOS DA ENTROPIA E DA GEOESTATÍSTICA NO DIMENSIONAMENTO DA REDE DE PRECIPITAÇÃO... 51 4 APLICAÇÃO DA METODOLOGIA E RESULTADOS... 53 4.1 CONTEXTO... 53 4.2 ANÁLISE E DISCUSSÃO DE RESULTADOS... 54 4.2.1 Dados de entrada... 54 4.2.2 Análise estatística dos dados... 55 4.2.3 Ajuste da distribuição de probabilidade Gama aos dados totais anuais... 57 4.2.4 Aplicação do algoritmo... 62 4.3 RESULTADOS OBTIDOS APÓS COMPARAÇÃO ENTRE OS MÉTODOS DE ENTROPIA E DE GEOESTATÍSTICA... 66 4.4 MAPAS DE REDES PLUVIOMÉTRICAS OBTIDOS PELO MÉTODO DA ENTROPIA E PELO MÉTODO GEOESTATÍSTICO... 70 5 CONCLUSÕES FINAIS E RECOMENDAÇÕES PARA ESTUDOS FUTUROS... 80 5.1 CONCLUSÕES... 80 5.2 RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS... 81 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 83 6.1 REFERÊNCIAS... 83 6.2 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA... 85 ANEXOS... 87 Anexo A - Localização e período de monitoramento das estações pluviométricas... 88 Anexo B Código, localidade e precipitação média total anual... 89 Anexo C Valores de precipitação média total anual em milímetros (mm)... 90

CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO E OBJETIVOS

Introdução e Objetivos 17 1. INTRODUÇÃO 1.1. Definição do Problema A análise da precipitação é dificultada pela extrema aleatoriedade do fenômeno na natureza. Os métodos convencionais para o estudo da precipitação atuam no sentido de espacializar a precipitação mensurada pontualmente em postos pluviométricos para toda a área de interesse. Desta forma, uma rede com elevado número de postos bem distribuídos em toda a área de interesse é necessária para um resultado satisfatório (CONTI, 2002). Frente a crescente demanda por informações hidrológicas por parte de políticas voltadas para o desenvolvimento sustentável regional, incluindo políticas nacionais (Lei Federal N 9.433/97) e estaduais (Lei Estadual N 5.818/98) de recursos hídricos, bem como devido ao limitado número de pesquisas que tratam sobre o estudo de métodos utilizados no dimensionamento de redes de monitoramento de precipitação, a partir da estimativa da precipitação média anual (influência da densidade da rede na precisão da informação), vê-se a importância do desenvolvimento de pesquisas no dimensionamento de redes. O fornecimento de tais informações em geral resulta da interpolação de dados obtidos por estações de monitoramento disponíveis na região de influência do ponto ou área de interesse, ou seja, através das redes de monitoramento. Devido a este fato, justifica-se o desenvolvimento de estudos que orientem a adequada quantidade de postos pluviométricos e sua espacialização correta, capaz de proverem informações precisas sem comprometer a execução de diversos projetos. Dentre os vários trabalhos publicados, que tratam da influência de fatores fisiográficos e climáticos na distribuição espaço-temporal da precipitação numa região, podem ser citados: relevo (HENDRICK & COMER, 1970; MERVA,

Introdução e Objetivos 18 STROMMEN& KIDDER, 1971; DAVEAU, 1978; O CONNEL ET AL., 1979; CORRADINI, 1985; PARK & SINGH, 1996); altitude (BARRY, 1992; PARK & SINGH, 1996; SINGH & KUMAR, 1997; SEVRUK & NEVENIC, 1998); velocidade e direção do vento (CAFFEY, 1965; SEVRUK & NESPOR, 1998; SEVRUK & NEVENIC, 1998); sazonalidade (HENDRICK & COMER, 1970) e continentalidade (NICOLAU, 2002). 1.2. Relevância Os dados de precipitação são extremamente importantes, e em algumas situações essenciais, para muitas das atividades humanas, tais como: geração de energia elétrica, navegação fluvial, sistemas de irrigação (agricultura de forma geral), exploração de aqüíferos, sistemas de reservação e suprimento de água para cidades e complexos industriais, prevenção da erosão hídrica, obras de arte (pontes, viadutos, portos e obras para dispersão de poluentes em corpos d água) e ocupação do solo (com relação a áreas inundáveis). O desenvolvimento e a aplicação de métodos de dimensionamento de redes de monitoramento de precipitação no Brasil se justificam na medida que podem gerar dados que completem e potencializem os dados existentes, permitindo uma melhor espacialização do processo físico da precipitação pluvial. O emprego de tais métodos é possível em todas as regiões do país, sendo especialmente indicados para aquelas com pouca informação pluviométrica. As áreas assistidas por redes de monitoramento de precipitação se beneficiariam de um método confiável para prover os dados pluviométricos. Assim, a utilização em larga escala de tais métodos diminuiria o enorme vazio de dados pluviométricos, ao mesmo tempo em que potencializaria o uso dos dados existentes, sendo ainda considerados de baixo custo operacional. O emprego das estimativas de precipitação obtidas com o auxílio de redes de monitoramento de precipitação bem dimensionadas geraria maior

Introdução e Objetivos 19 confiabilidade nos trabalhos de hidrologia, com vantagens em vários setores. Desta forma, por exemplo, o emprego de dados obtidos a partir de redes de monitoramento de precipitação possibilitaria: Reduzir os custos de construção de obras hidráulicas ao se evitar uma eventual superestimativa da precipitação; Aumentar o rendimento de usinas de geração de energia elétrica caso a sua implantação tenha sido direcionada por dados mais realísticos de precipitação; Diminuir o custo de irrigação através do melhor conhecimento do volume total precipitado; Otimizar os sistemas de geração de energia elétrica e de abastecimento de água, devido ao melhor conhecimento da precipitação nas áreas a montante; Direcionar mais eficazmente os esforços de contenção da erosão, o que ajudaria a manter a fertilidade dos solos e diminuiria o assoreamento dos rios e lagos; Indicar o local mais compatível com as necessidades hídricas de uma indústria, tanto para o processo fabril quanto para a dispersão dos poluentes ou o tratamento dos mesmos; Direcionar de maneira mais eficaz a ocupação do solo, evitando a ocupação de áreas potencialmente inundáveis; Melhorar a qualidade dos dados de precipitação como entrada em modelos climáticos globais e hidrológicos. Estas são as principais razões que levaram as proposições dos objetivos do presente projeto de pesquisa apresentadas a seguir.

Introdução e Objetivos 20 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo Geral O presente estudo tem como objetivo geral contribuir para a prática do dimensionamento de redes de monitoramento de precipitação pluvial com vista ao adequado gerenciamento de recursos hídricos/bacias hidrográficas, através da utilização dos métodos da entropia e da geoestatística. 1.3.2 Objetivos Específicos Verificar se o emprego dos métodos geoestatístico e da entropia conduzem à mesma configuração de rede de precipitação média anual numa área. Em caso da resposta do item anterior ser negativa: Verificar a possibilidade de utilização conjunta dos métodos da geoestatística e da entropia no dimensionamento de redes de monitoramento de precipitação pluvial. 1.4. Estrutura da Dissertação A Dissertação está estruturada em cinco capítulos e três anexos, como descrito a seguir. O capítulo 1 apresenta uma introdução aos motivos que levaram a execução desta pesquisa e a sua relevância no contexto brasileiro, bem como os objetivos: geral e específicos.

Introdução e Objetivos 21 O capítulo 2 apresenta a revisão bibliográfica inerente à precipitação e dos métodos de sua estimativa. Neste capítulo são apresentados conceitos básicos relacionados com a precipitação, os fatores físicos envolvidos na formação da precipitação pluvial, classificação dos tipos de precipitação e diversas técnicas de estimativas da precipitação a partir de métodos de interpolação. No capítulo 3 descreve-se a metodologia utilizada para obtenção do modelo estatístico e os dados de entrada no mesmo, ou seja, a localização dos postos de monitoramento e os dados de precipitação. Os dados de precipitação obtidos para a pesquisa são comentados, apresentando-se as correções das falhas observadas e as equações utilizadas no emprego do método da entropia. Também são apresentados os conceitos básicos do algoritmo testado no próximo capítulo, bem como detalhes de seu processamento computacional (apresentando-se os resultados mais relevantes de cada etapa do processamento). No capítulo 4 apresenta-se o estudo de caso para o Estado do Espírito Santo, sendo testado um algoritmo em uma área piloto compreendendo os postos de monitoramento das bacias hidrográficas dos rios Doce, Itaúnas e São Mateus. Neste capítulo é apresentado o modelo estatístico obtido para precipitação anual, bem como sua comparação com os resultados obtidos pelo método da geoestatística no que se refere ao dimensionamento da rede pluviométrica para a região de estudo. As conclusões pertinentes ao trabalho são discutidas no capítulo 5, bem como recomendações para estudos futuros na mesma linha de pesquisa. Nos anexos encontram-se listados todos os postos pluviométricos utilizados na pesquisa. Nesta listagem constam, para cada posto, o número adotado na presente pesquisa, o nome do posto (dado pelo órgão mantenedor), as coordenadas e a precipitação anual observada nos anos de 1970 até 2000.

CAPÍTULO 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Fundamentação Teórica e Revisão Bibliográfica 22 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capítulo são apresentados, inicialmente, alguns conceitos básicos necessários a um melhor entendimento do fenômeno da precipitação e do monitoramento da precipitação realizado pelas redes de monitoramento de precipitação. Seguindo, apresenta-se uma revisão da influência de fatores físicos envolvidos na formação da precipitação e os métodos/procedimentos utilizados no dimensionamento de redes de monitoramento de precipitação desenvolvidos a partir das estimativas de precipitação e, finalmente, a importância do dimensionamento com vista ao adequado gerenciamento dos recursos hídricos/bacias hidrográficas. 2.1 CONCEITOS BÁSICOS São apresentados a seguir alguns conceitos básicos, extraídos da ANEEL & OMM (1999), necessários ao melhor entendimento do assunto que se segue: Água Precipitável: Quantidade de água expressa em altura ou em volume, que poderia ser recolhida se todo o vapor d água contido numa determinada coluna da atmosfera, de seção horizontal unitária, fosse condensado e precipitado. Bacia Representativa: (1) Bacia hidrográfica que permite o estudo de ciclo hidrológico numa região natural característica, pela observação simultânea de dados climáticos e hidrométricos. (2) Bacia onde se realizam estudos hidrológicos intensivos sob condições relativamente constantes. (3) Bacia na qual foram instaladas diversas estações para efetuar simultaneamente, observações hidrometeorológicas e hidrométricas, de modo que os dados assim obtidos representem uma vasta zona, em vez de realizar medições em todas as bacias da região considerada. Pluviômetro: Instrumento para medir a altura da chuva de distribuição horizontal supostamente homogênea e não submetida à evaporação.

Fundamentação Teórica e Revisão Bibliográfica 23 Precipitação pluvial: (1) Produtos líquidos ou sólidos da condensação do vapor d água que caem das nuvens ou depositados pelo ar úmido sobre o solo. (2) Quantidade de precipitação caída (conforme a, definição em 1) sobre uma superfície horizontal durante um dia, um mês ou um ano e designada como precipitação diária, mensal ou anual. Rede Hidrológica: Conjunto de estações hidrológicas e de postos de observação situados numa dada área (bacia de um rio, região administrativa) de modo a permitir o estudo do regime hidrológico. 2.2 FATORES FÍSICOS ENVOLVIDOS NA FORMAÇÃO DA PRECIPITAÇÃO O vapor de água contido na atmosfera constitui-se num reservatório potencial da água que, sob determinadas condições, condensa possibilitando as precipitações. O ar pode atingir a saturação por duas maneiras: por acréscimo de vapor d água ao ar (maior evaporação) ou por resfriamento. Dentre essas, o resfriamento é preponderante. Como a capacidade do ar em conter vapor d água varia com a temperatura, o resfriamento ocasiona a diminuição do volume da massa de ar, diminuindo assim a capacidade do ar em conter vapor. Para que ocorra a precipitação é necessário que as gotas tenham um volume tal que o seu peso supere as forças que as mantém em suspensão. Assim, a origem da precipitação está intimamente ligada ao crescimento das gotículas. A nuvem é constituída de ar, vapor d água, e de gotículas de água em estado líquido ou sólido (com diâmetros variando de 0,01 a 0,03 mm) espaçadas a cerca de um milímetro entre si, sendo que o ar circundante a estas gotículas encontra-se próximo a saturação (e por vezes supersaturado). As gotículas de água possuem massa de 0,5 a 1 grama de água por metro cúbico de ar, enquanto o ar saturado que envolve as gotículas tem umidade de

Fundamentação Teórica e Revisão Bibliográfica 24 1 a 6 gramas por metro cúbico (de -20 a 5 C). Segundo TUCCI e BERTONI (2000) a concentração das gotículas é de cerca de 1000 un./cm 3, e desta forma, a quantidade total de água presente numa nuvem, nos três estados, pode variar de 1,5 a 7 g/m 3. As gotas de chuva possuem diâmetros variando de 0,5 a 5,5 mm podendo chegar a um máximo de 7 mm. Contudo, com este tamanho exagerado, a gota logo atinge uma velocidade de 9 m/s, o que faz com que a mesma se subdivida em gotas menores devido a resistência ao avanço oferecida pelo ar durante a sua queda. O ar atmosférico contém, além dos gases, minúsculas partículas em suspensão chamadas de aerossóis, possuindo origens e características químicas/físicas diversas. Os diâmetros destas partículas variam de 0,01 a 1 µm e são originários de diversos materiais como solos argilosos, matéria orgânica e sais marinhos ou não. Estas partículas atuam como núcleos de condensação, pois ao entorno destas partículas o vapor d água se aglutina formando gotículas. Quando o ar úmido sobe até o nível de saturação observase que as gotículas de água não têm tendência a se unirem por si mesmas sem a presença de núcleos de condensação. Os núcleos de condensação mais ativos são aqueles originários de sais marinhos, cristais de gelo e aqueles produtos da combustão que contenham os ácidos nítrico e sulfúrico. A concentração de partículas originárias de combustões em áreas industriais causa o fenômeno conhecido como chuva ácida devido à grande concentração (alguns milhões de partículas por metro cúbico de ar) de partículas de ácido nítrico e sulfúrico que agem na atmosfera como núcleos de condensação. Segundo TUCCI e BERTONI (2000), nas nuvens com temperatura abaixo de 0 C a tensão máxima de vapor (vapor saturante) é, para uma mesma temperatura, menor para o gelo do que para a água sobrefundida. Quando uma nuvem fria, devido à turbulência, contiver ao mesmo tempo cristais de gelo e gotículas de água sobrefundida, estas se vaporizam em proveito dos cristais de

Fundamentação Teórica e Revisão Bibliográfica 25 gelo, tornando-se centros de condensação e aumentando de volume, ocasionando a precipitação. Esta teoria é conhecida como Teoria de Tor Bergeron Findensen, de 1935. É necessário ressaltar que muitas vezes ocorre o fenômeno de realimentação da precipitação através da evaporação de parte do volume já precipitado que retorna à nuvem na forma de correntes ascendentes de ar úmido. Assim, algumas nuvens se reconstituem continuamente à medida que a água condensada as abandona. 2.3 CLASSIFICAÇÃO DAS PRECIPITAÇÕES Conforme o processo pelo qual são desencadeadas as precipitações, as mesmas são classificadas em convectivas, orográficas e frontais (TUCCI e BERTONI, 2000). As precipitações convectivas ocorrem quando o aquecimento da superfície terrestre pelo sol ocasiona uma brusca ascensão da camada de ar úmido próxima ao solo. Tal ascensão ocorre devido à menor densidade do ar aquecido junto ao solo em relação ao ar mais frio das camadas acima. O ar úmido em ascensão, ao atingir o seu nível de saturação, gera a formação de nuvens que podem desencadear intensas precipitações, porém em um intervalo de tempo normalmente reduzido. As precipitações convectivas são bastante comuns na região equatorial e eventualmente no verão das áreas temperadas. Como podem atingir intensidade de precipitação bastante alta, elas costumam ocasionar enchentes rápidas e vigorosas em pequenas bacias. As precipitações orográficas são originadas quando ventos quentes e úmidos (normalmente procedentes dos oceanos) adentram nos continentes e encontram cadeias de montanhas que os obrigam a elevar-se, atingindo assim