Como determinar uma chuva média?

Introdução

Os pluviômetros são equipamentos amplamente utilizados nos postos de monitoramento de chuva, no Brasil. Um pluviômetro representa uma medição pontual de uma precipitação, como mostra a Figura 1. A área da seção de entrada da água de chuva desse equipamento pode medir 400 cm² (COLLISCHONN; DORNELLES, 2013). Em relação a área de uma bacia hidrográfica, de grandeza de quilômetros quadrados, a área da seção do pluviômetro é muito pequena, ou seja, representativamente pontual.

Desse modo, a medição pluviométrica informa uma precipitação pontual que ocorreu no interior de uma bacia hidrográfica. Porém, para obter o balanço hídrico e/ou determinar valores extremos é necessário conhecer a chuva que abrange uma região, ou a bacia de interesse. Para o desenvolvimento de trabalhos hidrológicos, pode-se utilizar o cálculo da chuva média que cubre a região da bacia hidrográfica.

O que são pluviômetros?

Um pluviômetro tem a finalidade de armazenar e medir chuvas. A quantidade coletada é mostrada em milímetros (mm). Existem vários tipos de pluviômetros, os principais são (Cemaden, 2013):

1. Convencionais: a medição é feita e anotada.
2. Semiautomáticos: a leitura é feita por meio de um painel digital.
3. Automáticos: mede, armazena e transmite automaticamente o dado sobre a quantidade de água.

Veja um vídeo de como funciona um pluviômetro semiautomático.

Métodos de chuva média

No presente artigo, dois métodos foram selecionados para o cálculo da precipitação média: método aritmético e método de polígonos de Thiessen.

O método Aritmético consiste no cálculo da média aritmética dos dados de chuva, referente a um posto pluviométrico contido dentro de uma bacia hidrográfica. A fórmula do método aritmético é dada pela Equação 1.

As condições de uso do método estabelecem que:

• A bacia deve ter área inferior a 5.000 Km² (American Society of Civil Engineers – ASCE)^;
• Apresentar distribuição uniforme dos pluviômetros;
• A bacia deve ter baixas declividades, pois o método não considera as chuvas orográficas (chuvas que a barreira física, como uma montanha, promove a contenção das nuvens).
• Postos pluviométricos posicionados, somente, dentro da bacia hidrográfica (Figura 2). Na bacia em cor amarela, os postos estão dispostos dentro da área da bacia.

Figura 2 – Postos localizados dentro dos limites da bacia em amarelo.

No método de polígonos de Thiessen, existe uma delimitação dentro da bacia por áreas de influências de cada posto pluviométrico. Ao contrário do método aritmético, permite o uso de postos localizados fora da área da bacia e esses postos não precisam estar dispostos de modo uniforme na região da bacia.

A Equação 2 representa a média de chuva aplicada no método de Thiessen:

A condição de uso do método determina que as bacias devem ter baixa declividade, pois também não considera o efeito de chuvas orográficas. Em uma bacia hidrográfica indicada para a aplicação do método de Thiessen, a disposição dos postos pode ser de acordo com a Figura 3, com as respectivas áreas de influência. A maneira de definir as áreas de influência foi descrita em um tópico a seguir.

Exemplo prático

Os dados do exemplo prático foram originados de um município de São Paulo, chamando Santa Rita do Passa Quatro, como mostra a Figura 4. Essa região possui três estações pluviométricas próximas, em que os códigos das estações são 2147030, 2147154 e 2147050.

As etapas seguidas, do exemplo prático, passaram pelo uso de alguns programas e bases de dados de referência nacional, como mostra a Figura 5.

Aquisição de dados no Hidroweb

A primeira etapa ação foi de localização do município de Santa Rita do Passa Quatro, no Hidroweb pela busca em Mapas, conforme mostra a Figura 6.

Em seguida, foram localizadas as estações pluviométricas (ícone de nuvem) mais próximas do município, como mostra a Figura 7.

Outra maneira de se localizar uma estação é por meio de “Consulta estação” (1). A busca pode ser pelo nome da estação ou pelo código (2), como mostra Figura 8.

Para o acesso de informações, o site Hidroweb disponibiliza várias formas de pesquisa. Ao clicar em cima do ícone da estação, abre uma caixa de informações sobre o posto (Figura 8), com código da estação (1), nome da estação (2), opção de baixar dados (3), opção de visualizar a tabela de atributos (4). Além dessas, existem muitas outras informações a respeito da estação. Duas opções de buscar dados de chuvas foram descritas a seguir, ao clicar em “Mais info” (3).

Após clicar em “Mais info” (Figura 9), o site abre uma nova guia de pesquisa, em Séries Históricas de Estações. Nesta guia também existem muitas opções de buscas (Figura 10). Uma opção pode ser pelo Nome do Município, deve-se informar o tipo de estação (pluviométrica), o estado da cidade e se está operando (sim). A segunda opção pode ser pelo código da estação, deve-se informar o tipo de estação (pluviométrica).

Para o download de dados, deve-se escolher a estação ou as estações que deseja obter dados de chuva, como mostra Figura 11. O tipo de arquivo selecionado foi de Texto (.txt).

Tratamento de dados no Super Manejo

Os dados baixados no Hidroweb apresentam um formato que não se encontra adequado para o uso direto em planilhas de cálculos eletrônicas, como mostra Figura 12. Por isso, foi necessário passar por uma etapa de organização e tratamento desses dados de chuva.

Foi empregado o programa Super Manejo da UFGRS (baixe aqui) para a organização dos dados (Figura 13).

A sequência de passos para a utilização do programa Super Manejo foi (Figura 14):

1. Selecionar a opção Chuva (1);
2. No retângulo abaixo, selecionar Carregar dados (2);
3. Na janela que se abre em sequência, selecionar o arquivo de texto (.txt) desorganizado (3);
4. Na janela que se abre em seguida, o programa converte o arquivo em uma nova formatação (4). Selecionar ok;
5. Na janela que se abre depois, escolher o local para salvar o novo arquivo (5);
6. O arquivo foi salvo no diretório escolhido (6). Selecionar ok;
7. Arquivo configurado para ser utilizado (7).

Alguns cuidados devem ser tomados antes de utilizar os dados formatados. Por exemplo, quando não há registro de chuvas por alguma falha no sistema, gera-se dados de precipitação igual -1. Esses valores devem ser substituídos pelo valor zero, como mostra a Figura 15, para evitar resultados incorretos cálculos de média de chuva. As ferramentas aplicadas, no bloco de notas, foram: Localizar (1) para encontrar todos os valores iguais a -1; Substituir (2) os valores -1 por 0; novamente em Localizar (3), verificar se o arquivo não tem mais valores iguais a -1.

Determinação das precipitações anuais  

Todos os dados de precipitação foram copiados para uma planilha Excel, conforme mostra a Figura 16. Essa planilha foi feita exclusivamente para determinar a chuva média de uma bacia.

Ainda uma verificação foi necessária, como da grandeza dos valores de precipitação. Observou-se que era preciso corrigir esses valores, sendo todos divididos por 10, conforme mostra a Figura 16.

Primeiramente, foi determinada a precipitação anual. Isso ocorreu com a soma total das chuvas ocorridas em cada ano. Foi utilizada a função do Excel =SOMASE para a soma das chuvas referente a cada ano, como mostra a Figura 17. Essa função foi utilizada na primeira parte (em azul), para selecionar os intervalos de valores na coluna D. A parte do meio (em vermelho) foi a condição da função, ou seja, ser igual a um certo ano. Na terceira parte (em roxo), foi o intervalo da soma das precipitações apenas de um certo ano, na coluna F.

Em alguns anos (2003, 2004, 2015, 2016, 2017), observou-se que o somatório da chuva anual era igual a zero (Figura 18). Como o objetivo deste artigo foi apresentar as etapas de obtenção de chuva média, não foi realizada a etapa de preenchimento de falhas. Na prática profissional, essa etapa deve ser realizada obrigatoriamente.

Então, foi obtido o gráfico de precipitação anual da estação pluviométrica. O gráfico da Figura 19-1 foi gerado no software Super Manejo e o gráfico da Figura 19-2 no Excel. Para a obtenção da chuva anual das demais estações pluviométricas de código 2147050 e 2147030, foram seguidas as mesmas sequências de passos.

Determinação da chuva média – método aritmético

Na última aba da planilha, foram compiladas as precipitações anuais de cada estação pluviométrica, como mostra a Figura 20.

Foram calculadas as precipitações médias de cada posto, como indica a Figura 21. As precipitações médias dos postos foram obtidas pela função =MÉDIA do Excel. No posto 2147154, a precipitação média P1 = 1429,097 mm; no posto 2147050, P2 = 1605,492 mm; e no posto 2147030, P3 = 1485,617 mm. Assim, a chuva média determinada pelo método aritmético (média simples) foi de Pm = 1506,736 mm.

Aquisição de cartas do IBGE

Antes da última etapa do exemplo prático, foi preciso baixar as cartas do munício de Santa Rita do Passa Quatro. O site do IBGE disponibiliza cartas em vetor para download (baixe aqui). Para baixar a carta da cidade, as seguintes pastas foram abertas (Figura 21): (1) cartas_e_mapas; (2) folhas_topograficas; (3) vetoriais; (4) escala_50mil; (5) projeto_conv_digital; (6) busca por “santa” e abrir santa_rita_do_passa_quatro26731; (7) baixar todos os arquivos da pasta “vetor”.

Determinação da chuva média – método de polígonos de Thiessen

Nesta última etapa, foi calculada a média de chuva pelo método de polígonos de Thiessen. Lembrando que esse método depende da área da bacia e das áreas de abrangência de cada posto. Por isso, foi empregada a ferramenta Autocad.

A bacia foi delimitada com o auxílio da imagem do Google Earth da cidade e das curvas de nível (Figura 23). O passo a passo da delimitação da bacia foi suprimido, pois é uma etapa que precisa ser detalhadamente descrita e já foi minunciosamente explicada em um vídeo do canal do YouTube, deste professor, José Costa.  

Os postos foram identificados no interior da bacia e os pontos de localizados destes foram ligados, sendo formada a figura de um triângulo (Figura 24).

O triângulo formado pelos postos foi copiado abaixo da imagem da cidade. Feita uma cópia de outro triângulo idêntico, mas de menor área. O triângulo menor serviu de base, para traçar uma reta perpendicular entre os triângulos. Então, foram determinados o ponto médio e a reta perpendicular, em cada lado do triângulo formado entre os postos (Figura 25).  

Essas retas perpendiculares, no ponto médio de cada lado, foram traçadas para ser encontrado o ponto de interseção (Figura 26).

A partir do ponto de interseção, foram estendidas as retas perpendiculares até tocar o limite da bacia (em azul). Assim, pode-se delimitar as áreas de abrangência de cada posto pluviométrico da bacia (Figura 27).

As áreas de abrangências foram hachuradas, para melhor identificação. Cada área de abrangência pode ser obtida pela função do Autocad que calcula a área selecionada (Figura 28).

Por fim, foi determinada a chuva média pelo método de Thiessen (Figura 29). Todas as áreas de abrangência foram somadas e aplicada a fórmula de chuva média para este método. Então, a chuva média pelo método de Thiessen foi Pm = 1515,892 mm.  

Capacitação para modelagem em hidrologia com a Sobre as Águas

A Sobre as Águas é uma plataforma de capacitação exclusiva para engenheiros, estudantes e técnicos que atuam em projetos de modelagem para a área de hidrologia.

A plataforma oferece diversos cursos e treinamentos de ferramentas essenciais para todo tipo de profissional atuante nos diversos âmbitos da hidrologia. Para quem precisa impulsionar seu conhecimento de ferramentas como OpenFOAM, HecHMS, ArcGis, dentre outros, a Sobre as Águas é o lugar certo!

Entre para a lista de espera da plataforma, e assim que abrirmos as vagas entraremos em contato:

Enviar

REFERÊNCIAS

AGÊNCIA NACIONA DE ÀGUAS. Hidroweb v3.2.7. Brasília, 2019. Disponível em: https://www.snirh.gov.br/hidroweb/mapa. Acesso em: 2 jan. 2023.

CENTRO NACIONAL DE MONITORAMENTO E ALERTAS DE DESASTRES NATURAIS – CEMADEN. O que são Pluviômetros?. São José dos Campos, 2013. Disponível em: http://www2.cemaden.gov.br/o-que-sao-pluviometros/. Acesso em: 9 abr. 2023.

COLLISCHONN, Walter; DORNELLES, Fernando. Hidrologia para Engenharia e Ciências Ambientais. Porto Alegre: Associação Brasileira de Recursos Hídricos – ABRHidro, 2013.

GOOGLE LLC. Google Earth Pro. Versão 7.3.6.9345 (64-bit). California: Gloogle, 2022. 

INSTITUTO BRASILEIRO DE GEOGRAFIA E ESTATÍSTICA – IBGE. Download. Brasília, 2019. Disponível em: https://www.ibge.gov.br/geociencias/downloads-geociencias.html. Acesso em: 13 abr. 2023. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL – UFRGS. Super Manejo de Dados 2.1 (Out/2018). Porto Alegre, 2018. Disponível em: https://www.ufrgs.br/hge/modelos-e-outros-produtos/softwares-de-manejo-e-visualizacao-de-dados-hidrologicos/super-manejo-de-dados-2-0-2018/. Acesso em: 11 jan. 2023.