Átlas Digital das Águas de Minas - Uma ferramenta para o planejamento e gestão dos recursos hídricosÁtlas Digital das Águas de Minas - Uma ferramenta para o planejamento e gestão dos recursos hídricos

RH4.0 (RH4.1): Breve histórico e aplicabilidade

De acordo com o "Dicionário Aurélio" regionalizar é dar caráter, aspecto ou feição regional a; tornar regional. Na comunidade hidrológica o termo regionalização hidrológica ou regionalização de vazão tem sido usado para denominar a "transferência de informações" (na forma de uma variável, função ou parâmetro), de um local com informações, para outro geralmente com dados escassos ou inexistentes  numa região com comportamento hidrológico semelhante.

Na literatura especializada são citados diversos métodos de regionalização de vazão sendo os mais empregados aqueles que utilizam a "transferência de informações" por meio de modelos de cálculo de vazões estatisticamente ajustados com as variáveis independentes (características físicas e climáticas das sub-bacias) conforme documento elaborado pela Eletrobrás na década de 80, denominado Metodologia de Regionalização de Vazões. O método adotado neste documento, foi o método da curva adimensional regional, genericamente denominado de método da cheia-índice ou "index-flood" (Eletrobrás,1985; Tucci, 2000). Segundo Nerc (1975) este método foi desenvolvido pelo National Environmental Research Center da Inglaterra na década de 70, alicerçado em uma ampla revisão sobre métodos estatísticos aplicados à hidrologia.

Ainda sobre o tema, estatística hidrológica, Euclydes e Picollo (1985) aplicaram distribuições teóricas de probabilidades como as de Gumbel, log-normal a dois e três parâmetros, Fuller-Coutagne e Pearson a dois e três parâmetros em 7 cursos d'água da Microregião do Circuito das Águas, em Minas Gerais. Os resultados indicaram a distribuição de Gumbel para representar os eventos máximos. Sub-rotinas de ajustes de distribuições teóricas de probabilidade foram desenvolvidas objetivando agilizar o processo de estimativa das vazões.

Posteriormente, Euclydes (1992), em um estudo efetuado na sub-bacia do rio Juatuba, afluente do rio Paraopeba em Minas Gerais, desenvolveu um método que regionaliza a vazão com um determinado risco, consistindo basicamente em duas etapas: a) identificar o modelo probabilístico (ajustar distribuições teóricas de probabilidades ás séries históricas de vazões de cada estação para diferentes períodos de retorno); e b) ajustar por regressão múltipla a vazão para os mesmos períodos de retorno anteriormente selecionados ás variáveis fisiográficas e climáticas das sub-bacias. Neste trabalho foram otimizadas as sub-rotinas desenvolvidas anteriormente e acrescentadas novas sub-rotinas, como por exemplo, a da aplicação da regressão múltipla constituindo assim, a versão 1.0 do programa computacional de regionalização hidrológica - RH1.0

Ainda em 1992, objetivando dar suporte aos estudos de regionalização hidrológicas a serem desenvolvidos nas regiões hidrográficas mineiras no âmbito do programa HIDROTEC, foi desenvolvido a versão 2.0 do programa computacional de regionalização hidrológica, denominado RH2.0. Neste aplicativo foram inseridos o método estatístico de identificação das regiões hidrologicamente homogêneas para as vazões (com base na análise da distribuição de freqüência das vazões e nos resíduos dos modelos de regressão múltipla), e dois métodos de regionalização das vazões: o método proposto por Euclydes (1992), denominado Método-1 e o método proposto pela Eletrobrás (1985), denominado Método - 2.

Em 1997, o programa HIDROTEC recebeu apoio do Ministério do Meio ambiente, dos Recursos Hídricos e da Amazônia Legal, por intermédio da sua Secretaria de Recursos Hídricos que o tornou de âmbito nacional enfatizando, especialmente, a quantificação dos recursos hídricos como ferramenta de planejamento e gerenciamento de recursos hídricos. Em 1999, o software RH foi novamente otimizado, acrescido de novas funcionalidades, migrado para o ambiente Windows-Delphi e entregue à SRH/MMA a versão 3.0 (RH3.0).

Em 2002, ao se utlizar o software RH3.0 na regionalização hidrológica da sub-bacia do rio Purus, afluente da margem direita do rio Amazonas, no âmbito do programa HIDROTEC, fêz-se  necessário realizar algumas alterações objetivando adaptá-lo também a essa região. Como principal alteração cita-se a otimização  implementada no cálculo das áreas das sub-bacias hidrográficas abrangendo mais de uma zona UTM (6º), viabilizando assim a estimativa da precipitação média em grandes áreas de drenagem, ao se aplicar o método de Thiessen. Essa versão foi denominada RH3.0a.

Em 2005 foi desenvolvida a versão 4.0. Como principal modificação cita-se a possibilidade de realizar a regionalização considerando a sazonalidade das vazões.
 

Figura  1 - Fluxograma da metodologia de regionalização de vazão

Figura  1 - Fluxograma da metodologia de regionalização de vazão desenvolvida no software  RH  a partir da versão 2.0

 

Figura 2 - Exemplo de regiões hidrologicamente homogêneas identificadas na bacia do rio Paracatu, por ocasião dos estudos hidrológicos realizados nessa bacia.

Figura 2 - Exemplo de regiões hidrologicamente homogêneas identificadas na bacia do rio Paracatu.



Figura 3 - Tela de Abertura do RH versão 3.0a
Figura 3 - Tela de abertura do RH versão 3.0a


Figura 6 - Tela de Abertura do RH versão 4.0

Figura 4 - Tela de abertura do RH versão 4.0


Os estudos de regionalização de vazão ou regionalização hidrológica realizados no âmbito do Programa HIDROTEC (1991 a 2010 = 20 anos de forma ininterrupta) abrangeram uma área de 1.095.139 km2 (26 regiões hidrográficas) assim distribuídas:

a)
587.172 km2 no Estado de Minas Gerais (Atlas, 2007)
b)
46.184 km2 no Estado do Espírito Santo (Atlas, 2007 e Euclydes et al.,2007a)
c)
46.772 km2 nos Estados da Bahia, Goiás e Distrito Federal, abrangendo parte das áreas de drenagem das bacias dos rios: Jequitinhonha, Verde Grande, Carinhanha, Buranhém, Jucuruçu, Itanhém, Peruíbe, Mucuri, e cabeceiras do rio Preto/Paracatu (Atlas, 2007)
d)
415.011 km2 nos Estados do Acre e Amazonas, compreendendo a região hidrográfica do rio Purus, representando 10,6% da bacia do rio Amazonas em território brasileiro (Euclydes e Ribeiro, 2002; Euclydes et al.,2007b).


As 26 regiões hidrográficas estudadas abrangeram áreas de grande amplitude, no que diz respeito:

a)
clima: úmidos, sub-úmidos e semi-aridos
b)
intervalo de áreas de bacias hidrográficas: variando de 29 km2 (rio das Velhas em Minas Gerais) a 365.978 km,2 (rio Purus na região amazônica)
c)
densidade de estações fluviométricas selecionadas para aplicação da regionalização: variando de 1:736 km2 no rio Paraíba do Sul em Minas Gerais a 1:15.962 km2 no rio Purus, região Amazônica.

 

Figura 4 - Modelo digital de elevação para a região hidrográfica do rio Purus, região Amazônica

Figura 5 - Modelo digital de elevação para a região hidrográfica do rio Purus, região Amazônica



É oportuno destacar que no valor da área das regiões hidrográficas mineiras e adjacentes estudadas no âmbito do programa HIDROTEC, citadas anteriormente, não estão incluídas a "1ª e a  2ª Atualização dos estudos hidrológicos" realizadas nestas regiões, nos biênios:

a)
2002 a 2003 - 1ª Atualização dos estudos hidrológicos (2ª regionalização hidrológica)
b)
2009 a 2011 - 2ª Atualização dos estudos hidrológicos (3ª regionalização hidrológica)


Pelos resultados favoráveis encontrados, pode-se concluir que a metodologia desenvolvida no programa computacional RH4.0 é aplicável nas condições citadas, fornecendo estimativas confiáveis de vazões máximas, médias, mínimas e volumes de regularização em reservatórios.

Basicamente, os fatores limitantes da aplicação desta metodologia (e que não foram limitantes nos estudos citados, anteriormente) são:

a) número mínimo de estações para aplicar o modelo de regressão (relacionado ao grau de liberdade disponível para as análises de regressão (Draper e Smith, 1966)); e

b) utilização de estações que estejam influenciadas por reservatórios à montante, sendo esta última situação, muito comum em regiões semi-áridas, onde os rios são intermitentes.

Vale também destacar que o método de cheia-índice ou "index-flood" já foi aplicado com sucesso, por outros pesquisadores, em regiões de clima semi-árido, como por exemplo nos estudos realizados por Ramech et al (2003) nas regiões fisiográficas do Médio, Sub-médio e Baixo São Francisco, abrangendo uma área de 320.000 km2 nos Estados de Pernambuco, Bahia, Sergipe e Alagoas; como também nos estudos realizados por Tucci et al (1983) em grandes áreas com características hidrológicas diferenciadas como o Planalto e o Pantanal, inseridas na região do Alto Paraguai, cujos estudos abrangeram uma área de 300.000 km2.

 

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Ainda sobre o tema "transferência de informações" é importante ressaltar que, no passado, a transferência de vazões de estações fluviométricas para outros locais sem informações era um procedimento habitual utilizado pela maioria dos técnicos no dimensionamento de projetos e obras hidráulicas. Porém, com o desenvolvimento de novos estudos hidrológicos realizados com base na técnica de regionalização de vazão em bacias hidrográficas, esse procedimento se restringiu a locais particulares.

No Atlas (2007), com base na experiência adquirida nos estudos de regionalização de vazão desenvolvidos no âmbito do programa HIDROTEC faz-se um alerta sobre erros significativos de predição que podem ocorrerem quando técnicas de "transferência de informações" são usadas de forma generalizada nas transposições de vazões, em regiões hidrográficas. Ainda, conforme esta referência, ao realizar essa transferência deve-se considerar que, em geral, a dependência entre área de drenagem e vazão não é linear, e que ao ignorar este fato o engenheiro pode estar superdimensionando ou subdimensionando as obras hidráulicas.

Em situações práticas onde o local de interesse encontra-se próximo de estação(ões) fluviométrica(s) com dados confiáveis, é possível realizar a  transferência espacial de vazões por meio dos procedimentos: a)- transferência da vazão proporcionalmente à respectiva área de drenagem (vazão específica constante); e b)- interpolação linear entre duas ou mais estações proporcionalmente às respectivas áreas. Porém é fundamental considerar, ao adotar um destes  procedimentos, que a diferença (valor absoluto) entre as áreas das bacias de drenagem do local de interesse e a da estação fluviométrica não supere 30% da área de influência da estação, e que as estações estejam inseridas na mesma calha fluvial e numa região com comportamento hidrológico semelhante. Essas considerações e, outras, sobre esse tema estão apresentadas no "Sistema de consulta informativa: Comportamento da vazão máxima" para todas as regiões hidrográficas mineiras, como também,  no exemplo aplicativo nº 1: Validação da metodologia desenvolvida no ATLAS.  

 

Figura 5 - CD-ROM e Manual do Atlas Digital das Águas de Minas - 2ª edição

Figura 6 - CD-ROM e Manual do Atlas Digital das Águas de Minas - 2ª edição




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INFORMAÇÕES GERAIS SOBRE AS FUNCIONALIDADES DO RH VERSÃO 4.0

O programa computacional de regionalização hidrológica RH, versão 4.0, inserto no CD-ROM "Atlas Digital das Águas de Minas" (tutorial completo com locução em "off" e opção para "Download") foi lançado no dia 22 de março 2005 (Dia Mundial das Águas), na Assembléia Legislativa, durante o 4º Fórum das Águas para o Desenvolvimento de Minas Gerais. A Figura 7 ilustra a tela de abertura e as Figuras 7 a 12 ilustram imagens e gráficos gerados no RH4.0.


Figura 6 - Tela de Abertura do RH versão 4.0

Figura 7 - Tela de abertura do RH versão 4.0



Esta versão, além de considerar a sazonalidade das vazões na regionalização hidrológica, através de 4 opções para trabalhar com os dados: mensal, trimestral, semestral e anual , possibilita estimar as vazões máximas, mínimas, média de longo período, e volumes de regularização em reservatórios, de forma simples e eficaz em base científico-tecnológica, consoante com a agilidade que as decisões, no âmbito da administração dos recursos hídricos, requerem.

O RH4.0 executa a regionalização das vazões máximas para períodos de retorno de 2, 5, 10, 20, 50, 100 e 500 anos, mínimas de duração de 1, 7, 15, 30, 60, 90, 120, 150 e 180 dias, com períodos de retorno de 2, 5, 10 e 20 anos, médias de longo período, curvas de permanência de vazões diárias, com probabilidades de 50 a 95%, e curvas de regularização.

Desenvolvido em linguagem Delphi, sua estrutura possibilita ao usuário selecionar o procedimento (no menu), enquanto o programa apresenta (na tela do vídeo) a metodologia usada, executa a função predeterminada, gera os relatórios de resultados exibindo-os simultaneamente na tela.

As opções apresentadas no menu da tela principal do programa computacional RH4.0 são:

- Análise de dados hidrológicos: nesta opção, o sistema faz uma varredura em arquivos de séries históricas de dados de vazão ou precipitação pluvial, disponibilizados pelo HidroWeb, no formato "CSV", obtendo informações úteis à regionalização hidrológica.


Figura 7 - Exemplo da "Análise dos dados hidrológicos" da estação fluviométrica Cachoeira Suiça (código:57120000)

Figura 8 - Exemplo da "Análise dos dados hidrológicos" da estação fluviométrica Cachoeira Suiça (código:57120000)



- Entrada de dados: nesta opção, o RH versão 4.0 permite entrar com as características físicas e climáticas por digitação e as séries históricas por leitura direta dos arquivos de dados das estações de uma bacia hidrográfica. Cria uma lista das estações, que é arquivada em disco, sendo as informações utilizadas durante o processamento.

- Preenchimento de falhas: permite o preenchimento de falhas de séries de eventos de vazão e chuva. No preenchimento de falhas de vazão, o programa utiliza regressão simples (linear ou potencial) entre as estações, e para o preenchimento de falhas de chuva, o programa utiliza o método de ponderação regional com base em regressões lineares.

- Precipitação média: utiliza o método de Thiessen para o cálculo da precipitação média sobre as sub-bacias. O módulo determina as triangulações, executa os cálculos e exibe na tela do monitor os polígonos de Thiessen e uma planilha de resultados. Os dados de entrada são um arquivo com as coordenadas dos vértices do(s) polígono(s) que define(m) os limites da(s) sub-bacia(s), obtido por meio de digitalização desses limites e, as coordenadas geográficas com os valores das precipitações das estações pluviométricas.


Figura 8 - Exemplo de polígonos de Thiessen gerados na região do Alto São Francisco - MG

Figura 9 - Exemplo de polígonos de Thiessen gerados na região do Alto São Francisco - MG



- Regiões homogêneas: considera dois critérios para definir as regiões hidrologicamente homogêneas: critério 1 - análise da distribuição de freqüência das vazões adimensionalizadas de cada estação ou sub-bacia; e critério 2 - análise do ajuste do modelo de regressão múltipla das vazões médias com as características físicas e climáticas das sub-bacias.

- Regionalização de vazão: emprega dois métodos de regionalização de vazão:

a) método 1 - regionaliza a vazão com determinado risco (Euclydes,1992); e

b) método 2 - regionaliza uma curva adimensional de freqüência e o fator de adimensionalização (Eletrobrás, 1985).


Figura 9 - Exemplo do ajuste gráfico da distribuição de Weibull às vazões mínimas (q<sub>7,10</sub>) da estação de Mucuri - rio Mucuri

Figura 10 - Exemplo do ajuste gráfico da distribuição de Weibull às vazões mínimas (q7,10) da estação de Mucuri - rio Mucuri



- Regionalização da curva de permanência: estabelece a curva empregando valores diários, e aplica regressão múltipla da vazão para as probabilidades de 50 a 95%, com as características físicas e climáticas das sub-bacias.


Figura 10 - Exemplo gráfico da  curva de Permanência de vazões diárias do rio Urucuia em Vila Urucuia

Figura 11 - Exemplo gráfico da  curva de permanência de vazões diárias do rio Urucuia em Vila Urucuia



- Regionalização de curvas de regularização: consiste na aplicação do método da simulação/curvas de diferenças acumuladas para o traçado das curvas de regularização e no ajuste de uma curva média adimensional aos dados observados das estações que apresentaram tendências semelhantes. Este método despreza a evaporação do lago no balanço de volumes do reservatório e considera o atendimento de 100% da demanda durante todo o período da série histórica. A evaporação, considerada como uma demanda adicional, é estimada e introduzida nos cálculos por meio de um procedimento simplificado utilizando-se a evaporação total média anual e a área do reservatório para 2/3 do volume útil.


Figura 11 - Exemplo de ajuste gráfico da curva regional de regularização adimensionalizada dos rios pertencentes a sub-bacia do rio Preto

Figura 12 - Exemplo de ajuste gráfico da curva regional de regularização adimensionalizada dos rios pertencentes a sub-bacia do rio Preto



- Testes paramétricos: os testes apresentados tem por objetivo verificar a estacionalidade de uma série, ou seja, verificar a identidade da média e da variância de dois sub-períodos distintos de uma série hidrológica.

- Ajuda: possibilita ao usuário esclarecer suas dúvidas diretamente na tela do monitor.


OBS: O RH4.0 é um programa computacional de domínio público gratuitamente distribuído nesse website.




Bibliografia

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ATLAS digital das águas de Minas ; uma ferramenta para o planejamento e gestão dos recursos hídricos. Coordenação técnica, direção e roteirização Humberto Paulo Euclydes. 2. ed. Belo Horizonte : RURALMINAS; Viçosa, MG : UFV , 2007 . 1 CD-ROM. ISBN 85-7601-082-8. Acompanha manual.

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Fonte: EUCLYDES (2008d)