META 8-1: Identificação de Vegetação Aquática por Sensoriamento Remoto
As macrófitas aquáticas são componentes importantes para o corpo hídrico, pois propiciam locais para reprodução, alimentação e proteção de organismos aquáticos, e, também, auxiliam na proteção das margens. Mas, quando em excesso, podem causar diversos problemas como navegação, irrigação, pesca e, principalmente, geração de energia elétrica. Essa proliferação vem ocorrendo constantemente nos reservatórios de usinas hidrelétricas, sendo um dos casos mais graves o que ocorre na Usina Hidrelétrica Eng. Souza Dias, que controla o reservatório de Jupiá. Este reservatório localiza-se entre os estados de São Paulo e Mato Grosso do Sul, tem 330 km² de superfície, e foi formado pelo represamento do rio Paraná, tendo como principais afluentes os rios Tietê e Sucuriú.
Com a construção da Usina Hidrelétrica Três Irmãos, localizada à montante do reservatório de Jupiá, houve uma mudança nas características hidrológicas do reservatório, sua vazão diminuiu e isso contribuiu para o aumento de plantas aquáticas submersas, como Egrégia densa. No período chuvoso, o aumento de vazão provoca a fragmentação dessas plantas aquáticas e o deslocamento de plantas aquáticas flutuantes, como Pistia stratiotes. Essa vegetação se desloca pelo reservatório em direção à usina, prejudicando a navegação, captação de água e lazer.
Na Usina Hidrelétrica Eng. Souza Dias, a vegetação se acumula nas grades de proteção da tomada d’água das unidades geradoras, provocando o entupimento dessas grades. Com a diminuição da captação de água, ocorre oscilação de potencia na turbina e aumenta a pressão sobre as grades. É inevitável a interrupção do funcionamento da unidade geradora para a troca da grade danificada, antes que a mesma rompa. Para evitar a parada das unidades geradora, a geração de energia é, em geral, reduzida em 60% quando se detecta oscilações de potencia. Dessa forma, são acionados os pórticos limpa-grades, os quais têm a função de retirar a vegetação retida nas grades.
Sendo assim, essa pesquisa tem como objetivo realizar o mapeamento dessas macrófitas aquáticas, no reservatório de Jupiá, em diferentes meses do ano para se ter conhecimento da época de maior ocupação e suas possíveis causas. A área ocupada por macrófitas aquáticas foi
102 determinada a partir de mapeamentos realizados em SIG, Sistema de Informação Geográfica, através de imagens de satélite.
Estudo das Plantas Aquáticas
Plantas aquáticas são espécies vegetais que habitam desde ambientes úmidos até ambientes aquáticos como rios, lagos e mares. Um organismo consegue viver somente dentro dos seus limites de tolerância, ou seja, dependem de certos fatores ambientais favoráveis, tais como temperatura, intensidade luminosa e nutrientes. Nas águas represadas que formam lagos de hidrelétricas, há grande disponibilidade de nutrientes provenientes da inundação de pastagens, que em combinação com outros fatores ambientais dão condições para o desenvolvimento de macrófitas aquáticas. Ou ainda, quando se tratam de macrófitas flutuantes, elas podem ser trazidas até as barragens provindas de outras regiões através de ventos e das correntes dos rios. Em condições ótimas de sobrevivência, algumas espécies de plantas aquáticas podem sofrer um acréscimo da produtividade que muitas vezes é resultante de atividades antrópicas, como agricultura e pecuária, que aumentam a quantidade de nutrientes presentes nas águas, e assim, com o aumento excessivo da população de macrófitas aquáticas, os ecossistemas e os usos múltiplos dos recursos naturais podem ser prejudicados.
Nesse contexto, para se efetuar o controle dessas plantas, é preciso avaliar as condições ambientais ótimas para o seu crescimento e aspectos biológicos das espécies. Em geral, as macrófitas se desenvolvem em águas com presença de nutrientes e condições de temperatura e luminosidade adequadas.
As plantas aquáticas podem ser de diferentes tipos, como mostra a Figura 8.1:
103 Macrófitas aquáticas emersas: enraizadas no sedimento, porém as folhas crescem para fora da água, por exemplo: Junco e Taboa.
Macrófitas aquáticas com folhas flutuantes: enraizadas no sedimento e com folhas flutuando na superfície da água, por exemplo: Lírio d'água e Vitória-régia.
Macrófitas aquáticas submersas enraizadas: enraizadas, crescendo totalmente debaixo d'água, por exemplo: Elódea e Cabomba.
Macrófitas aquáticas submersas livres: Permanecem flutuando debaixo d'água. Podem se prender a pecíolos e caules de outras macrófitas, por exemplo: Utriculária.
Macrófitas aquáticas flutuantes: Flutuam livremente na superfície da água, por exemplo: Alface d'água, Aguapé e Orelha-de-rato.
As macrófitas aquáticas flutuantes ocorrem em ambientes eutrofizados, com altos teores de fósforo e nitrogênio. Já as submersas se associam a ambientes oligotróficos (pobre em nutrientes); um dos fatores que limitam o crescimento das macrófitas submersas são a luz e a disponibilidade de carbono. Para as macrófitas enraizadas, o sedimento é a principal fonte de nutrientes (nitrogênio e fósforo).
Com relação à temperatura, as plantas aquáticas podem sobreviver em uma ampla faixa de tolerância, se submetem a temperaturas que vão de próximo a zero até mais de 40 °C e ocorrem em grande quantidade em regiões de climas tropical e temperado.
A luminosidade também é um importante fator que limita o desenvolvimento das plantas aquáticas, já que elas realizam fotossíntese. Para as plantas submersas, a quantidade de luz que chega até elas está relacionada com a refração e com a absorção da radiação pelas substâncias húmicas, detritos particulados e por outros organismos clorofilados, como macrófitas flutuantes.
A velocidade da corrente também é um fator importante que pode limitar o crescimento e ocorrência de plantas aquáticas. Espécies enraizadas não se desenvolvem em águas com elevada velocidade e as flutuantes são levadas devido a grande movimentação das águas.
No estudo em questão, a maioria das obstruções dos painéis de grade de tomada d’água nas hidrelétricas da CESP (Companhia de Energética de São Paulo) na região em que se encontra Ilha Solteira são causadas por macrófitas aquáticas da espécie Elodea SP (Figura 8.2).
104 O conhecimento dos fatores limitantes de macrófitas aquáticas é importante sob o aspecto de facilitar o seu manejo, criando condições que inibam o seu crescimento quando uma espécie prolifera indesejadamente, por exemplo.
As plantas Aquáticas e as Hidrelétricas
Na UHE Engenheiro Souza Dias - Jupiá, por exemplo, o problema de acúmulo de macrófitas aquáticas nas grades de tomada d’água ocasionou mais de 10.000 horas de indisponibilidade das unidades geradora para a limpeza e troca de grades, prejudicando a geração de energia, ou ainda, grandes danos aos equipamentos, como turbinas Figura 8.3.
Figura 8.3 – Pá da turbina atingida por um painel de grade que se desprendeu, na UHE de Jupiá.
Desde 1994, a CESP retirou e substituiu mais de 1055 painéis de grade e coletou 48.000 m³ de plantas aquáticas com o pórtico limpa-grades (Figura 8.4).
105
Figura 8.4 – Plantas aquáticas removidas pelo pórtico limpa-grades.
Metodologia para identificação de áreas com vegetação
A área estudada compreende o reservatório de Jupiá, localizado entre os estados de São Paulo e Mato Grosso do Sul, imediatamente à montante da Usina Hidrelétrica Eng. Souza Dias. A metodologia foi aplicada também ao reservatório de Ilha Solteira. A inclusão do lago de Ilha Solteira como local de análise se justificou pelo fato de que caso houvesse uma resposta positiva quanto à ocupação de vegetação, haveria maior facilidade para desenvolver estudo em campo sobre atenuação de ondas.
Como estudo de caso inicial, no reservatório de Ilha Solteira, utilizou-se o trabalho de Galo et al. (2002). Os autores, neste trabalho, usaram o Sensoriamento Remoto para identificar áreas de ocupação de macrófitas em reservatórios do complexo Tietê, com o objetivo de monitorar a qualidade da água nestes locais (o que muito se assemelha ao presente projeto, exceto em objetivo).
Assim sendo, foram repetidos os passos do projeto de Galo et al. (2002), mantendo as imagens (obtidas gratuitamente no site do DGI/INPE) e o software (Spring). Os resultados podem ser vistos nas Figuras 8.5 e 8.6. É válido citar que existem duas imagens, resultantes de diferentes processos de contraste (não citados no artigo original).
106
Figura 8.5 – Comparação do resultado final de composição entre o trabalho de Galo et al. (esquerda) e o estudo de caso (direita)
Figura 8.6 – Comparação do resultado final de composição entre o trabalho de Galo et al. (esquerda) e o estudo de caso (direita), com diferentes processos de contraste.
Tendo conhecimento de estudo de caso, iniciou-se o processo para o caso específico do lago de Ilha Solteira.
As imagens utilizadas no Lago de Ilha Solteira provêm do Landsat 5 (sensor TM). A resolução espacial de cada banda é de 30 metros (com exceção da banda 6, que apresenta resolução de 120 metros). As imagens utilizadas foram registradas em 04/06/2011 e 08/09/2011, sendo ambas do ponto 74 e da órbita 223. A análise de duas imagens se justifica pelo fato de buscar possível diferença nas respostas espectrais, dado um período de início e fim de estiagem.
Para o estudo do lago de Jupiá foram usadas imagens do sensor TM, órbita/ponto 223/74, para os meses de Janeiro, Fevereiro, Abril, Julho, Agosto e Novembro dos anos de 2010 e 2011.
As imagens foram obtidas gratuitamente pelo catalogo do INPE –Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais,
O software utilizado para o processamento dessas imagens foi o SPRING, versão 5.2.2. Foi estabelecido um banco de dados georreferenciado em dBase, com Planos de Informação (PIs) na projeção UTM, datum WGS84, zona 22.
Foram realizadas composições coloridas “falsa-cor” com as bandas 2, 4 e 5 combinadas com as cores azul (B), verde (G) e vermelho (R), respectivamente.
107 Posteriormente foi feita a classificação das imagens, de maneira supervisionada “pixel a pixel”, ou seja, o programa utiliza apenas a informação espectral isoladamente de cada pixel para achar regiões homogêneas. Classes como “Macrófitas aquáticas”, “Água” e “Cobertura vegetal” foram criadas, e escolhidas as suas respectivas cores, e depois foram reconhecidas nas imagens, pela forma de retângulo ou polígono.
A técnica de classificação utilizada foi a de Máxima Verossimilhança (MAXVER), com um limiar de aceitação de 99%, que considera a ponderação das distancias entre medias dos níveis digitais das classes, utilizando parâmetros estatísticos.
Após a classificação das imagens foram criados mapas temáticos, e em cada mapa pode- se saber o quanto representava cada classe criada, como a de “Macrófitas aquáticas”, por exemplo. A unidade a ser representada também pode ser escolhida, neste caso foi hectare (ha). Essa planilha criada pode ser exportada ou salvada. Segue na Figura 8.7 um exemplo de planilha criada pelo SPRING, exportada para o computador no formato de bloco de notas.
Figura 8.7 – Planilha criada pelo software SPRING com as informações de área de cada classe
Resultados obtidos em Ilha Solteira e discussão
Realizando tratamento similar ao trabalho de Galo et al. (considerando TM3 para azul (B), TM4 para verde (G) e TM5 para vermelho (R)), foi possível obter como resultados as imagens mostradas nas Figuras 8.8 e 8.9.
108
Figura 8.8 – Combinação das bandas TM3 (B), TM4 (G) e TM5 (R), para época de início de estiagem (Junho/2011)
Figura 8.9 – Combinação das bandas TM3 (B), TM4 (G) e TM5 (R), para época de fim de estiagem (Setembro/2011)
É possível perceber que, diferentemente do trabalho de Galo et al., no lago de Ilha Solteira não se observa presença de vegetação evidente ao realizar a combinação que fora bem sucedida nos reservatórios do Complexo Tietê. No trabalho citado, após a etapa em que se chegou ao caso do lago de Ilha Solteira, foi possível fazer a Classificação em três diferentes classes (Macrófitas, Água 1 e Água 2), já que a visualização das macrófitas na imagem era evidente (o que não é no caso do lago de Ilha Solteira).
No trabalho de Galo et al. (2002), entretanto, nota-se que as macrófitas encontradas eram emersas (conforme é citado no artigo e conforme se espera ao analisar as imagens, já que a resposta nas bandas combinadas é de valor considerável). Como no caso do lago de Ilha Solteira foi feito processo idêntico, conclui-se que não há, no local, vegetação emersa com densidade considerável a ponto de gerar reflectância nas bandas combinadas.
Quanto à vegetação submersa, conforme esperado, não se obtiveram resultados relevantes, tendo em vista que a reflectância da água é muito baixa em qualquer banda (ou combinação de bandas). É válido citar que, no caso do infravermelho, a radiação é absorvida
109 antes de conseguir atingir a vegetação no fundo e ser refletida. Além disso, nas bandas visíveis, a coluna d’água atenua a maior parte dessa radiação, já nos primeiros centímetros de lâmina d’água. Sendo assim, supõe-se não haver vegetação submersa tangenciando o espelho d’água. A Figura 8.10 traz as curvas espectrais de diversos alvos na superfície terrestre, sendo possível comparar a baixa reflectância da água com outros materiais.
Figura 8.10 – Curvas espectrais de diferentes alvos da superfície terrestre. Fonte: Moreira (2011)
Sendo a densidade de vegetação emersa pequena e a vegetação submersa não presente nos primeiros centímetros do espelho d’água, considera-se, portanto, o lago de Ilha Solteira como local desinteressante para o estudo de atenuação de ondas devido à vegetação.
Resultados obtidos em Jupiá e discussão
Os resultados referentes à área de ocupação das macrófitas aquáticas no reservatório de Jupiá, nos meses observados, foram obtidos a partir da criação de mapas temáticos pelo software SPRING.
Em cada mapa criado foi possível obter a área de ocupação das macrófitas. Mas esse valor é apenas uma estimativa, visto que o tipo de classificação utilizado neste trabalho, “pixel a pixel”, não garante que toda a imagem seja classificada em alguma classe criada.
Os dados processados foram organizados em uma tabela e estão representados a seguir.
110
Data Área ocupada por
macrófitas (ha) 27/01/2011 1458 12/02/2011 2275 17/04/2011 337,5 03/07/2011 175,5 20/08/2010 240,48 08/11/2010 928,71
Os meses que apresentaram menores áreas ocupadas por macrófitas foram de Julho e Agosto, período de inverno. E os meses que apresentaram maiores áreas foram Janeiro e Fevereiro, período de verão. O mês de Fevereiro foi o que apresentou maior área ocupada por macrófitas aquáticas, e seu mapa temático está apresentado na Figura 8.11.
Figura 8.11 – Mapa temático criado pelo software SPRING referente ao mês de Fevereiro
111 A aplicação da metodologia no reservatório de Jupiá produziu bons resultados. A partir dos resultados encontrados pode-se notar que houve maior proliferação de macrófitas aquáticas no reservatório durante o período de verão. Esses resultados foram coerentes, pois a temperatura e a disponibilidade de luz são duas variáveis que influenciam diretamente nesse crescimento.
Referências bibliográficas
MOREIRA, M.A. Fundamentos de Sensoriamento Remoto e Metodologias de Aplicação; 4ª edição, Viçosa, MG, 2011.
GALO, M.L.B.T; VELINI, E.D; TRINDADE, M.L.B e SANTOS, S.C.A. Uso do Sensoriamento Remoto Orbital no Monitoramento da Dispersão de Macrófitas nos Reservatórios do Complexo Tietê. Planta Daninha, Viçosa-MG. 2002.
Imagens do Inpe: Imagens de 04/06/2011 e 08/09/2011, ambas do ponto 74, órbita 223, Landsat 5 e sensor TM. Transferidas em Julho de 2012.
112
META 8-2: Estudo para monitoramento de obstrução de painéis de grades em hidroelétricas
Introdução e Objetivo
Esse capítulo trata de um estudo adicional cuja oportunidade de abordagem surgiu quando do início dos estudos e levantamentos de plantas aquáticas nos reservatórios da região.
O tema desta pesquisa está relacionado com a proliferação de plantas aquáticas nos reservatórios e lagos de usinas hidrelétricas e o impacto na geração de energia, devido à obstrução dos painéis de grades de tomada d’água, que por sua vez, causam a indisponibilidade temporal da unidade geradora devido à parada para realizar a limpeza e manutenção.
A obstrução dos painéis reduz a entrada de água nas turbinas o que gera uma diminuição da potência efetiva das unidades geradoras, prejudicando seu funcionamento. Devido à grande pressão exercida pela água sobre o painel obstruído, pode ocorrer o desprendimento da grade, causando danos às pás da turbina.
O objetivo do trabalho é desenvolver um sistema de monitoramento e automação em painéis de grades das hidroelétricas capaz de detectar ou medir deformações das estruturas, causadas pelo aumento da pressão devido à obstrução por plantas aquáticas. A idéia geral que sintetiza o sistema de monitoramento é a instalação de aparelhos (como extensômetros ou transdutores de pressão) capazes de identificar deformações nas grades devido a pressão e carga exercida pelas algas, e enviar os dados coletados, em tempo real, para um computador que indicará ao operador a situação da pressão e obstrução do painel e quando será necessário efetuar uma limpeza com o limpa-grades, evitando assim grandes indisponibilidades e danos às unidades geradoras. Inicialmente, devemos ressaltar o principal motivo para se desenvolver um sistema de monitoração dos painéis de grade de tomada d’água: a obstrução dos mesmos por plantas aquáticas presentes nos reservatórios que causam danos às estruturas das grades, ocasionando a troca das mesmas para manutenção.
Proposição do Projeto
Como o plano de pesquisa consiste em elaborar um sistema de monitoramento dessas grades que identifique o grau de entupimento pelas plantas aquáticas através da medição de pressão exercida sobre o painel de grade ou a medição da sua deformação devido à força exercida sobre o mesmo, a ideia inicial é instalar nas grades de tomada d’água equipamentos que meçam deformação ou pressão e após colhidos esses dados, enviá-los a um computador, em tempo real, para serem tratados e analisados por um software que mostrará na tela para o operador da hidrelétrica o grau de entupimento das grades das unidades geradoras, assim como, indicar onde é mais conveniente e prescindível utilizar o pórtico limpa-grades para realizar a limpeza, retirando as plantas aquáticas antes de uma situação crítica de obstrução, evitando assim, grandes períodos de indisponibilidade daquela unidade geradora ou ainda, estragos maiores como rompimento de grades.
113 Para a implantação do sistema de monitoramento podemos utilizar extensômetros ou transdutores de pressão, que captará os dados diretamente das grades e os enviará para o computador, sendo esses dados, medidas de deformações ou pressão.
O que temos em situação real são as grades sofrendo esforços mecânicos devido à presença de plantas aquáticas que impedem a passagem da água, e esta, por sua vez, exerce pressão.
Procedimentos Metodológicos
O primeiro passo tomado foi a observação dos painéis de grade quando retirados para manutenção, feita em uma oficina da cidade de Ilha Solteira (Figura 8.12 a 8.14):
114
Figura 8.13 – Pode-se observar uma das grades que está deformada ou fletida.
Figura 8.14 - Chapas de aço das grades que serão reformadas.
Foram adquiridos dois painéis de grade para a realização de possíveis ensaios no Laboratório da Unesp, onde aplicaríamos uma força sobre a grade, utilizando uma ponte rolante. A grade seria instrumentada com sensores capazes de medir a sua deformação. Esses sensores podem ser do tipo extensômetro (strain gages).
115 A extensometria é o método que utiliza o princípio da relação que existe entre tensões e deformações em corpos submetidos a solicitações mecânicas, conforme estabelecido por Hooke.
Os extensômetros de resistência elétrica (strain gages) são sensores colados em estruturas sólidas, com o objetivo de medir a deformação provocada pela tensão mecânica originada por uma força. Quando a estrutura sofre a ação de uma tensão e suas dimensões são modificadas, há uma variação relativa da resistência elétrica do material que é proporcional à deformação por meio de uma constante K, que é o fator do extensômetro ou fator gage.
Figura 8.15 – Exemplo de strain gage.
Assim, feitos esses ensaios, teríamos um valor base para a força que poderá ser aplicada à grade antes da mesma sofrer uma significativa deformação.
Com esses dados, teremos subsídios para a elaboração do sistema de monitoramento de grades, o qual exibirá um alerta, caso a força atuante nas grades devido à obstrução por plantas aquáticas atinja um parâmetro estabelecido e indicará onde o pórtico limpa-grades deve se posicionar com maior eficiência.
Ou ainda, devido a dificuldade de realização de ensaios por se tratar de uma peça de aço de grandes dimensões (um painel de grade tem cerca de 2,3 metros de largura e 4,5 metros de comprimento), poderíamos utilizar um software que faça simulações de aplicação de forças e mostre a deformação da peça inseridas as suas especificações, como módulo de elasticidade do material e medidas.
Utilizando o software SAP2000, para análises estruturais, foi feito a modelagem de um painel de grade e simulado uma aplicação de uma carga.
Resultados: Análise das Grades