APLICATIVOS HIDROLÓGICOS PARA O SISTEMA DE ALERTA A INUNDAÇÕES DE SÃO PAULO

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APLICATIVOS HIDROLÓGICOS PARA O SISTEMA DE ALERTA A INUNDAÇÕES DE SÃO PAULO Anete S. Fernandes

Instituto Astronômico e Geofísico - USP anete@model.iag.usp.br

Mário T.L. Barros Escola Politécnica - PHD – USP

mtbarros@usp.br Paulo T. Nakayama

Centro Tecnológico de Hidráulica - USP nakayama@cth.usp.br

ABSTRACT

The São Paulo Flood Warning System produces a set of hydrological analysis in order to implement its main products: rainfall and flood forecastings. This paper presents comparisons between radar information and rainfall data obtained by telemetric raingauges. A set of programs was done in order to compare the performance of these two equipments, two of them are presented: average rainfall at basins and sub-basins, graphs showing accumulated rainfall for both, radar and raingauges. These programs are used for real time analysis and correction procedures.

RESUMO

O Sistema de Alerta a Inundações de São Paulo produz uma série análises hidrológicas de modo a implementar os seus principais produtos: previsões de chuva e de inundações. Este trabalho apresenta comparações entre informações de radar e dados de chuva medidos por telepluviômetros. Um conjunto de programas foi feito para avaliar a performance dos dois equipamentos, dois deles são apresentados: mapas de precipitação média em bacias e sub-bacias e gráficos mostrando chuva acumulada para ambos, radar e pluviômetros. Esses programas estão sendo usados para análises em tempo real e procedimentos de correção.

I - INTRODUÇÃO

As bacias urbanas apresentam um cenário de grandes prejuízos materiais e até mesmo de vidas humanas decorrentes dos eventos de inundações na estação chuvosa.

O alto índice de impermeabilização do solo colabora para a situação de freqüentes inundações. Além disso, a ocupação desordenada das áreas de risco obriga a criação de sistema de alerta e prevenção à inundações, visando amenizar os prejuízos e proteger a população que ocupa tais áreas. Este é o objetivo do Sistema de Alerta a Inundações de São Paulo (SAISP).

O SAISP conta com duas fontes principais de aquisição de dados, o radar meteorológico , instalado em Ponte Nova, na divisa dos municípios de Salesópolis e Biritiba-Mirim (figura1) e Redes Telemétricas de Hidrologia, com destaque para a Rede Telemétrica da Bacia do Alto Tietê .

O sensoriamento remoto (Braga,1992) possibilita a identificação da localização, do tamanho, da intensidade e do deslocamento de sistemas meteorológicos que passam pela região leste do estado de São Paulo, Sul de Minas Gerais e Sul do Rio de Janeiro. Isto permite o acompanhamento da evolução espaço-temporal dos eventos hidrometeorológicos sobre as bacias hidrográficas localizadas nas referidas regiões.

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Figura 1 - Área de Cobertura do Radar de São Paulo

O SAISP possui um radar convencional que permite o monitoramento com resolução espacial de 2km x 2km para um raio de 240km. A antena é planejada com 20 elevações e uma varredura é feita a cada 5 minutos. Se comparado a uma rede hidrológica básica, eqüivale a uma rede pluviométrica com um pluviógrafo a cada 4 km2. Isto possibilita quantificar a precipitação de forma quase contínua, tanto no tempo quanto no espaço. A descrição das características e do princípio de funcionamento de um Radar Meteorológico podem ser encontradas em trabalhos como BATTAN (1973) e sua aplicação como instrumento hidrometeorológico em trabalhos como PISANI (1995) e NAKAYAMA (1998).

A Rede Telemétrica do Alto Tietê é composta por uma estação base (microcomputador PC) responsável pela coleta de dados das estações remotas. A comunicação é feita através de linhas privadas e sistema de rádio VHF. A estação base interroga as remotas com freqüência pré-fixada, adotando-se uma varredura a cada 10 minutos.

A calibração do radar é de grande importância para os cálculos da hidrometeorologia e constitui uma freqüente preocupação para hidrólogos e meteorologistas. Com o propósito de apresentar ferramentas para auxiliar a verificação da calibração do Radar Meteorológico do SAISP, este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento e operacionalização de mapas de precipitação média para sub-bacias da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP) e gráficos comparativos entre a precipitação acumulada pelo Radar e pela Rede Telemétrica.

A precipitação média é definida como uma lâmina de água de altura uniforme sobre toda a área considerada, associada a uma certa duração de chuva (como hora, dia, mês, ano etc...). Constitui um parâmetro utilizado na entrada de modelos hidrológicos, como por exemplo, na previsão e análise de eventos como transbordamento de rios e/ou inundações.

A comparação entre a precipitação média obtida utilizando dados de radar e a obtida com dados pluviométricos permite a verificação da adequação dos dados do radar para fins hidrológicos e auxilia na verificação da calibração. Além disso, permite a estimativa da altura de chuva (precipitação média) em sub-bacias que não contenham postos pluviométricos e são freqüentemente cenários de inundações, como por exemplo, a bacia do Córrego Pirajussara.

II – METODOLOGIA II.1 – Cálculo da Precipitação Média

As bacias escolhidas para comparação da precipitação média, obtida pelas duas fontes de dados, foram a Bacia do Rio Tamanduateí e do Ribeirão Meninos que é sub-bacia da anterior. A Bacia do Rio Tamanduateí é a que possui o maior número de postos pluviométricos da Rede Telemétrica do Alto Tietê.

Para calcular a precipitação média nas sub-bacias hidrográficas via rede Telemétrica, foi utilizado o método de Thiessen. Este método atribui pesos aos totais precipitados em cada pluviômetro, proporcionais à área de influência de cada um, podendo ser utilizado mesmo para uma distribuição não uniforme dos aparelhos. As áreas de influência são determinadas em mapas da bacia contendo as estações, unindo-se os postos adjacentes por linhas retas e, em seguida traçando-se as mediatrizes dessas retas formando polígonos. Os lados dos polígonos são os limites das áreas de influência de cada estação. A precipitação média é dada por:

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A

P

_m

=

∑

i i (Equação 2.1) onde Pm – Precipitação média em mm;

Pi – Valor medido no iésimo pluviômetro;

Ai – Área de influência do iésimo pluviômetro;

A – Área total da bacia.

O cálculo da precipitação média via Radar foi obtido da seguinte forma:

∑ ∑













∆

=

n i i m

t

P

n

P

60

1

(Equação 2.2) onde

n – número de quadrículas correspondentes a área da Bacia;

Pi – Taxa de intensidade em mm/h referente ao iésimo CAPPI na quadrícula n;

i – número de CAPPIS contidos no intervalo de tempo para o qual se deseja calcular a precipitação média. ∆t – intervalo de tempo entre um CAPPI e outro.

O CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator) é o mapa que mostra a intensidade e localização da precipitação num plano de altitude constante. O CAPPI padrão do SAISP está em 3km de altitude. A figura 2 ilustra um mapa de CAPPI sobre a bacia do Rio Tamanduateí, a taxa de precipitação estimada neste mapa é dada numa escala colorimétrica em mm/h.

mm/h

Figura 2 - CAPPI com registro de precipitação sobre a Bacia do Rio Tamanduateí. II.2 – Gráficos comparativos de Precipitação Acumulada

Para calcular a precipitação acumulada via radar, foi considerada a soma de todos os CAPPIs correspondentes ao intervalo de tempo de interesse. As análises comparativas foram feitas de diferentes modos:

a) Precipitação na própria quadrícula (pixel) onde se localiza o posto pluviométrico;

b) Valor médio obtido na matriz 3 x 3 correspondente a área vizinha à localização do posto, como ilustrada na figura 3:

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Figura 3: Matriz 3 x 3 correspondente a área vizinha ao posto telemétrico. A quadrícula central identificada com a letra P corresponde a localização do posto pluviométrico.

Como os dados da Rede Telemétrica correspondem à precipitação acumulada e são computados das 7:00horas da manhã até às 7:00 horas da manhã do dia seguinte, torna-se necessário ajustar os intervalos de tempo para a análise comparativa. E para cada evento analisado foi considerado a evolução do pluviograma de cada posto.

Para analisar tanto os mapas de precipitação média, quanto os gráficos comparativos de precipitação acumulada foram selecionados três eventos:

- Evento do dia 05/01/99 – período de 17:00 às 00:00h – Tipo: chuva convectiva com intensidade de moderada(15 < i <40mm/h) a forte (i>40mm/h).

- Evento do dia 06/01/99 – período de 07:00 às 16:00h – Tipo: chuva predominantemente estratiforme – intensidade de fraca (i < 15mm/h) a moderada (15 < i <40mm/h).

- Evento do dia 22/02/99 – período de 14:00 às 21:00h – Tipo: chuva convectiva com intensidade de moderada (15 < i <40mm/h) a forte (i > 40mm/h).

III – RESULTADOS III.1 – Mapas de Precipitação Média

Para os 3 eventos selecionados foram obtidos os mapas de precipitação média para intervalos de tempo de 30, 60 e 90 minutos. A tabela 1 apresenta os valores obtidos e as figuras 4,5 e 6 ilustram a saída gráfica destes resultados para as Bacias do Tamanduateí e Meninos.

Evento Tamanduateí Radar Tamanduateí Telemétrica Meninos Radar Meninos Telemétrica 5,3 4,6 7,4 4,3 15,6 8,4 15,1 5,8 05/01/99 – 30 minutos 05/01/99 – 60 minutos 05/01/99 – 90 minutos 21,8 9,3 22,0 6,0 1,3 0,9 1,0 1,1 2,7 2,0 2,1 2,8 06/01/99 – 30 minutos 06/01/99 – 60 minutos 06/01/99 – 90 minutos 3,7 2,6 3,1 3,6 2,8 4,4 2,8 1,7 9,2 9,0 6,7 3,8 22/02/99 – 30 minutos 22/02/99 – 60 minutos 22/02/99 – 90 minutos 14,4 12,9 13,3 8,2

Tabela 1 - Precipitação Média (mm) obtida para as Bacias do Tamanduateí e Meninos

A tabela 1 mostra que para pequenos intervalos de tempo os valores obtidos são mais próximos e para intervalos maiores tendem a divergir. Para o evento do dia 05/01/99 (convectivo) esta divergência já foi observada com 60 minutos de acumulação, para o evento do dia 22/02/99, que também é convectivo os resultados foram bastante próximos até os 90 minutos de acumulação. No caso do dia 06/01/99 para todos os intervalos considerados os resultados apresentaram grande concordância, como se espera para um evento estratiforme.

As figuras 4, 5 e 6 ilustram a saída gráfica dos mapas de precipitação média calculada para o intervalo de tempo de 60 minutos, para as Bacias do Tamanduateí e Meninos, para os 3 eventos considerados:

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Radar (18:00 – 19:00) Rede Telemétrica (18:00 – 19:00)

mm

Figura 4 – Mapa de precipitação média para o evento do dia 05/01/99, para as Bacias do Rio Tamanduateí e Meninos. Na saída gráfica a bacia dos Meninos é sobreposta à do Tamanduateí, uma vez que ela é uma sub-bacia desta. Quando as duas apresentam o mesmo valor, o contorno da Bacia do Tamanduateí prevalece.

mm

Figura 5 - Mapa de precipitação média para o evento do dia 06/01/99, para as Bacias do Rio Tamanduateí e Meninos.

mm

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Este cálculo comparativo da precipitação média foi implementado como produto do SAISP e permite obter a precipitação média para qualquer intervalo de tempo maior ou igual a cinco minutos. O cálculo utilizando apenas dados do radar encontra-se disponível para outras cinco sub-bacias da região metropolitana de São Paulo.

III.2 – Gráficos comparativos de Precipitação Acumulada

Este produto foi disponibilizado para os 21 postos pluviométricos da Rede Telemétrica do Alto Tietê (figura 7). Para ilustrar a saída gráfica do produto serão apresentados os gráficos de apenas três postos telemétricos para os três eventos selecionados.

Figura 7 – Localização dos 21 postos pluviométricos da Bacia do Alto Tietê e a distribuição dos mesmos no grid do radar.

Evento do dia 05/01/99:

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Gráfico 2 – Precipitação Acumulada

Os gráficos 1, 2 e 3 referem-se ao evento do dia 05/01/99 , na legenda tem-se:

Pluviômetro – Variação observada no posto pluviométrico para o intervalo de tempo considerado; Pixel – o valor obtido para a quadrícula do radar referente a localização do posto;

Área – o valor médio obtido para a matriz 3 x 3 ilustrada pela figura 3.

O gráfico 1 mostra uma superestimativa da precipitação pelo radar, em relação ao valor registrado no posto Vila Mariana. Isto pode ser justificado pela grande variabilidade espacial observada em eventos convectivos, que não pode ser detectada pelo pluviômetro, uma vez que ele efetua uma medida pontual. Além disso, nestes eventos é comum a presença de granizo na nuvem, o que o radar interpreta como uma intensidade muito maior do que a que realmente é observada.

Os gráficos 2 e 3 mostram valores mais próximos entre as estimativas do radar e da rede telemétrica. Os comportamentos diferenciados dos postos· refletem a variabilidade espacial da precipitação.

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No evento do dia 06/01/99 observa-se novamente pelos gráficos que para pequenos intervalos de acumulação os resultados obtidos pelos dois equipamentos são mais próximos.

Os gráficos 4 e 5 mostram que o radar apresentou uma subestimativa da precipitação para este evento. Uma justificativa para isto pode ser relacionada à substituição da relação Z-R de Marshall-Palmer, a equação anterior:

6 . 1

200R

Z

=

(Equação 3.1)

que apresenta bons resultados para chuvas estratiformes, por uma relação obtida através de análises realizadas pela equipe técnica do SAISP, tendo como base o trabalho de Pisani (1995). A relação utilizada hoje é:

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Uma melhor estimativa da chuva convectiva é bastante apropriada, devido a grande variabilidade que esta possui e também pelo fato do radar ser do tipo convencional e, portanto não amenizar os efeitos causados pela presença de granizo na nuvem.

Evento do dia 22/02/99

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O gráfico 9 mostra uma superestimativa do radar em relação ao pluviógrafo, este comportamento difere em relação aos outros postos e pode ser justificado pela presença de granizo na nuvem na região do posto ou mesmo por deficiência de funcionamento do pluviógrafo.

Pelos três eventos analisados pode-se dizer que o radar de Ponte Nova está funcionando dentro do esperado. Os valores obtidos pelos dois equipamentos não devem ser necessariamente iguais, ou melhor, raramente serão exatamente iguais e a variação das duas estimativas é justificada pelas diferenças dos dois equipamentos e principalmente pela alteração ocorrida com a precipitação entre a altitude de 3km, considerada pelo radar, e a superfície onde o pluviômetro efetua a medida.

IV – COMETÁRIOS FINAIS

Os mapas de precipitação média estão operacionalizados no SAISP e permitem o cálculo da precipitação média para algumas sub-bacias da RMSP; os gráficos comparativos de precipitação acumulada estão em fase de operacionalização.

Para análise comparativa entre dados de radar e rede telemétrica uma série de fatores deve ser considerada: - As medidas da chuva por radar ou por postos pluviométricos são diferenciadas. Enquanto o radar amostra um

volume de partículas de chuva de proporções consideráveis, numa dada região do espaço, o pluviômetro registra a precipitação pontual, recolhida em uma superfície muito pequena e praticamente no nível do solo. - Dependendo das características da tempestade, tais como movimento, tamanho, intensidade e duração, o radar

reproduzirá temporal e espacialmente a chuva em observação, com maior ou menor fidelidade.

- A medida de chuva pelo pluviômetro está sujeita a erros por problemas relacionados com manutenção, falhas de comunicação durante o evento, etc...

- As alterações que a precipitação sofre no caminho entre os 3km de altitude (Radar) até a superfície (Pluviômetro) faz com que os instrumentos praticamente efetuem medidas de eventos distintos.

Com base nestas considerações e de acordo com os resultados observados nos gráficos de precipitação acumulada pode-se concluir que o radar apresenta uma boa performance, mede razoavelmente bem a chuva em termos espaciais, qualitativos e quantitativos.

Nos modelos de transformação chuva – vazão o parâmetro de entrada para a determinação do escoamento é a precipitação média. A comparação entre os mapas de precipitação média, utilizando dados do radar e da rede telemétrica, permite estimar a diferença na resposta destes modelos para as duas fontes de dados.

Com os resultados obtidos verifica-se que o radar do SAISP apresenta dados bastante confiáveis para fins hidrológicos.

V – REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BATTAN, L.J. Radar Observation of the Atmosphere. Chicago: University of Chicago Press, 1973. 324p. BRAGA JÚNIOR, B.P.F & BARROS, M.T.L O Sistema de Alerta a Inundações da Cidade de São Paulo. In: PESSOA, M.L. et al. Telemetria e Sensoriamento Remoto com Aplicações em Hidrologia e Meteorologia. Curitiba, FINEP, 1992. 276p., p. 101 – 120.

NAKAYAMA, Paulo T.. Sistema de Suporte Á Decisão: Previsão de Chuva e Alerta a Inunfações com Radar Meteorológico . São Paulo,1998. Dissertação ( Doutorado em Recursos Hídricos)., Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.

PISANI, Alfredo. 1995: Avaliação dos Dados do Radar Meteorológico de São Paulo para Aplicação em Hidrologia. São Paulo,1995. Dissertação ( Doutorado em Recursos Hídricos). Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.

TUCCI, Carlos E.M. Hidrologia Ciência e Aplicação. Porto Alegre. Editora da Universidade/ UFRS. VI – AGRADECIMENTOS

- À Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pelo apoio financeiro dado ao primeiro autor durante a pesquisa.