ALTIMETRIA ESPACIAL APLICADA AO ESTUDO DE VAZAO DE 1
MARGEM PLENA NO RIO NEGRO 2
3
Jorjania de Oliveira LEAO¹; Joecila Santos da SILVA, 4
¹Instituto Nacional de Pesquisas da AmazoniaINPA, Mestranda em Clima e Ambiente, Av. 5
André Araújo, 2.936 - Petrópolis - CEP 69067-375 - Manaus -AM, Brasil; e mail: jolleao 6
gmail.com. 7
Universidade do Estado do AmazonasUEA, Centro de Estudos Superiores do Trópico 8
Úmido CESTU; Av. Djalma Batista 3578, Flores, 69050 010, Manaus AM, Brasil; 9
e mail: joecila.silva ird.fr
10 11
RESUMO
12 13
A altimetria Espacial é agora uma ferramenta madura para coletar os níveis de água ao 14
longo de grande e médio porte rios. O presente estudo é dedicado à determinação da 15
descarga bankfull usando satélite altimétrico e imagens para determinar os parâmetros 16
hidrológicos, tais como a fase da descarga de margem plena no cruzamento dos traços no 17
leito do rio com a faixa solo das missões de altimetria, largura, amplitude, área da seção e a 18
inclinação da superfície do rio. Aplicou-se a metodologia para um dos principais afluentes 19
do rio Amazonas, ou seja, Rio Negro. Os resultados mostraram-se bastante promissores, 20
pois verificou-se que os dados hidrológicos e geomorfológico são essenciais para um bom 21
resultado na utilização do produto altimetrico. 22
23
PALAVRA- CHAVE: Descarga de margem plena, Altimetria espacial
24 25
SPATIAL ALTIMETRY APLLIED TO STUDY FULL FLOW
26MARGININ RIO NEGRO
2728
ABSTRACT
29
Satellite altimetry is now ripe for a tool to collect water levels over large and medium-30
sized rivers. The present study is devoted to determining the bankfull discharge using 31
satellite altimetry and images to determine the hydrological parameters, such as the phase of 32
bankfull discharge at the intersection of the traces in the riverbed with solo track altimetry 33
missions, width, amplitude, area section and the slope of the surface of the river. We used 34
the methodology for one of the main tributaries of the Amazon River, or Rio Negro. The 35
results were very promising, since it was found that the hydrologic and geomorphological 36
data are essential for a good result in the utilization of the product altimetry. 37
38
KEYWORD: Bank full discharge; Spatial ltimetry 39 40 41 42 INTRODUCAO 43 44
A aplicação da altimetria por satélite para o estudo de grandes sistemas fluviais é 45
agora um campo em grande desenvolvimento, pois os desafios comuns à maioria das regiões 46
incluem, entre outros fatores de redes de monitoramento inadequadas e falhas nos registros 47
(Calmant, 2008). Toda tentativa de caracterização de áreas extensas como a Amazônia 48
sofrem carência de dados, uma vez que um sistema de monitoramento, que seja confiável e 49
que produza dados rapidamente acessíveis, necessita da coleta de várias informações, que 50
agrupam dados pluviométricos, observações dos níveis de água nos lagos e rios, medidas de 51
vazões e da superfície inundada durante as cheias e vazantes, cujo custo de instalação e 52
manutenção é bastante significativo (Alsdorf, 2001). A utilização das informações 53
provenientes das missões altimétrica torna-se uma alternativa interessante para estimar e 54
aumentar a rede global de monitoramento de vazão. Por exemplo, (Jasinskiet al. 2001) 55
utilizaram dados estágio rio de TOPEX /Dados de altimetria de satélite Poseidon para 56
avaliar avaliações de descarga em vários locais da bacia amazônica, comparando os dados 57
de altimetria com medida de descargaexistentes estações de in situ. (Zakharovaetal, 2010) 58
utilizaram os dados dos satélite TOPEX/Poseidon para estimar a descarga do Rio Amazonas. 59
60
O presente estudo mostra a descarga de margem plena ao longo do Rio Negro, os 61
resultados foram obtidos expressando a relação de fase de descarga local através da 62
expressão matemática proposta por Dingma e Sharmam (1997).O método empregado neste 63
estudo para estabelecer a relação do calculo de descarga de margem plena através das séries 64
temporais, foi obtido por meio das informações provenientes de 49 estações virtuais ao 65
longo do Rio Negro oriundas do satélite ENVISAT e JASON-2. As séries temporais 66
originadas das missões altimétricas permitem ainda estimar os parâmetros da equação como 67
a declividade (S), base da secção de profundidade (Y) equivalente a base úmida do rio aqui 68
referida como a profundidade média e a (A) área de seção. Diante desses parâmetros 69
podemos verificar a qualidade das informações altimétricas aplicada ao estudo da geometria 70
hidráulica através do calculo de vazão. 71 72 MATERIAL E METODO 73 Área de estudo 74
O Rio Negro estende-se desde os contrafortes orientais da Cordilheira dos Andes, 75
através das planícies da Colômbia e o escudo brasileiro, e passa a receber a denominacao de 76
Rio Negro após a confluência entre oRioGuainia eo Rio Casiquiare, que liga a bacia do Rio 77
Negro com da bacia do Orinoco, ainda na Venezuela (Latubresse, 2005). 78
O Rio Negro é o maior afluente do Rio Amazonas pela sua margem esquerda junta 79
ao Rio Solimões para formar o Rio Amazonas a jusante de Manaus e se classifica como o 80
quinto maior rio global em termos de vazão anual média (Meade et al, 1991; Molinieret al, 81
1995, Filizola, 1999). Área que abrange a Colômbia (10%), Venezuela (6%), Guiana (2%) e 82
Brasil (82%)(Figura 1).Estende-se de 73º25’ W para 59º35’ W de longitude e de 5º4’ N para 83
3º35’ S de latitude atravessando o centro-norte da Bacia Amazônica (Frappart et al., 2008) 84
(Figura 1. Área de estudo). 85
86
Figura 1- Area de estudo com a localizacao das estacoes virtuais do ENVISAT e 87
JASON-2. 88
Dados in situ 89
Para efeito do presente estudo foram analisadas informacõess das estacões linimétrica 90
(Cucui, Curicuriari e Serrinha),em funcão de conterem as informacoes necessarias e 91
pertinenetes ao desenvolvimento deste estudos, além de estarem niveladas por (Calmant et 92
al.2012) que empregaram o modelo de ondulação geoidal EGM2008 desenvolvido por 93
Pavliset al.(2008). Os dados estão disponíveis na ANA (Agência Nacional de Águas do 94
Brasil) web site (http://hidroweb.ana.gov.br/). 95
96
Dados Altimétricos 97
98
O presente estudo está fundamentado na análise dos dados altimétricos do Rio Negro 99
provenientes do satélite ENVISAT e JASON -2. Um conjunto de 49 estações virtuais teve 100
seus dados analisados, separadamente, para a geração das séries temporais altimétricas 101
coletados a partir do programa VALS (Virtual ALtimetryStation) (VALS, 2011) ). A 102
localização das estações virtuais pode ser observada na (Figura 1), onde 39 são oriundas do 103
satélite ENVISAT e 10 do satélite JASON. 104
105
Foi utilizado os dados dos satélite ENVISAT e JASON-2. O satélite ENVISAT possui 106
uma resolução temporal de 30 dias, empregou se o algoritmo standard de tratamento de 107
Forma de Onda FO Ice-1 correspondentes a 90 traços, totalizando 93 ciclos de 2002 a 2010. 108
Para a missão do JASON-2 o algoritmo de tratamento da FO utilizado foi o algoritmo Ice-1 109
e Ice-3, obtidos. Para ambos os algoritmos serão extraídos cerca de 150 ciclos de 2008 a 110
2012 e sua resolução temporal é de 10 dias. 111
Cálculo de descarga 112
Para o cálculo da vazão de margem plena foi utilizado o método de Dingman e 113
Sharma (1997) conhecido pela utilização da Eq. 3, onde suas variaveis foram obtidas através 114
dos dados atimétricos selecionados nas estacões virtuais: 115
𝑄𝑄𝑀𝑀𝑀𝑀 = 4.62. 𝐴𝐴1.17. 𝑌𝑌0.40. 𝑆𝑆0.34 (𝐸𝐸𝐸𝐸. 6)
Onde QMP é a descarga de margem plena (m³/s),A (m²) é a área da seção molhada, Y 116
(m) é a profundidade média do leito menor em relação à cota de margens plenas e S(m/m) é 117
a declividade da linha de água. O valor de A terá uma aproximação de acordo com a Eq.4. A 118
largura L (m) será medida a partir do mosaico de imagens Google Earth 6.0.3 (Google Earth, 119
2011). 120
𝐴𝐴 ∗= 𝐿𝐿 ∗ 𝑌𝑌 (𝐸𝐸𝐸𝐸. 7)
A profundidade Y(m) euma distância média do leito menor em relação à superfície da 121
lâmina de água. Esta variável será obtida pela variação da cota entre de estiagem e a cota 122
máxima, estimada da Eq. 5.5. 123
𝑌𝑌 = 𝑀𝑀𝐴𝐴𝑀𝑀(ℎ𝑖𝑖) − 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀(ℎ𝑖𝑖) ( 𝐸𝐸𝐸𝐸. 8)
Onde MAX(hi) e MIN(hi) são as cotas altimétricas máximas e mínimas de água na 124
estação virtual dos dados dos satélites ENVISAT e JASON-2. 125
A declividade S (m/m) foi obtida pelo desnível entre a estação virtual e aquela 126
imediatamente a jusante, no mesmo curso de água, dividida pela distância entre as duas 127
estações, ou seja, considere as estações Vi e Vj onde Vj é a estação virtual imediatamente a 128
jusante, conforme a Eq. 9. Vale ressaltar que a medida da distância entre Vi e Vj será 129
realizada através do Google Earth. 130
𝑆𝑆 =𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀ℎ𝑖𝑖 − 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀ℎ𝑗𝑗
Onde MINhi é a cota altimétrica mínima da estação MINhj é a cota altimétrica mínima 131
da estação a jusante, dis(Vi-V)j é a distância entre a estação virtual e aquela imediatamente a 132
jusante para os dados dos satélites ENVISAT e JASON-2. 133
134
Validação dos dados de descarga 135
136
A validação do cálculo da descarga de margens plena foi realizada de duas formas 137
independente para uma efetiva utilização dos resultados obtidos. I) A análise dos resultados 138
dos calculos da descarga (Qmp) obtidas em função dos dados altimétricos com a descarga 139
(Qmp) observada in situ através da elaboração da curva de classificação. Método utilizado 140
pelo (USDA-FISRWG 1998). II) Uma segunda forma de validação foi comparar os calculos 141
de descarga (Qmp) com os dados observados, ou seja, os resultados alcancados através da 142
curva de classificação, resultando em uma comparação direta por regressão linear , 143
computando-se o valor eficaz ou RMS (Root Mean Square), definido pela Eq.2. 144 𝑅𝑅𝑀𝑀𝑆𝑆 = �∑ �𝑄𝑄1,𝑖𝑖 − 𝑄𝑄2,𝑖𝑖� 2 𝑛𝑛 𝑖𝑖=1 𝑛𝑛 (𝐸𝐸𝐸𝐸. 10)
Onde n o número de medidas, Q1, ias medidas de vazão calculada através do produto 145
altimétricoeQ2, i as medidas de vazão observada. A (figura 3) mostra a dinamica do modelo 146
para a obtenção do calculo de descarga de margem plena ou seja a estrutura 147
metodológica do modelo. 148
149 150
Figura 2 - metodologia do ajuste 151 152 153 Metodologia do Ajuste 154 155
O Ajuste do modelo pode ser realizado por tentativa e erro, ou por otimização. 156
Considerando uma faixa margeada pelo satélite de 4Km de raio. Além disso, é necessário 157
certa sensibilidade no processo de ajuste do parâmetro (largura) para melhor interpretação 158
dos resultados. As principais incertezas são conseqüências do seguinte: Ponto de localização 159
das réguas linimétrica, uma vez que a coordenada e de origem duvidosa; as medidas de 160
larguras da seção dentro da faixa margeada do traço do satélite bem como as distâncias entre 161
as estações virtuais são efetuadas pelo software google, que não proporciona uma boa 162
qualidade nas imagens e conseqüentemente não demonstra precisão. Para minimizar o erro 163
da estimativa de vazão e realizado diversas medidas de largura em cada seção, dentro da 164
faixa margeada, ou seja, área limítrofe que o satélite capta as informações do plano d’água. 165 166 RESULTADOS 167 Estimativas de descarga 168 169
No cálculo de descarga de margem plena há uma ligação direta entre seus parâmetros 170
declividade, profundidade e área da seção molhada. A ligação existente para a efetivação 171
dos cálculos é através da cota mínima a monta e a jusante, ou seja, depende diretamente do 172
resultado da estação a jusante. 173
174
A partir da estação NEGRO_650 a 229,46 km da foz, ou seja, depois de receber as 175
contribuições do canal Casiquiare o Rio Negro passar ter influência pelos níveis de água do 176
Rio Solimões, essa é a possivel causa do resultado negativo de desacarga de margem plena 177
obtido na estação NEGRO_149, que sofre influencia direta da estação NEGRO_564 em 178
função do fenômeno da barragem hidráulica ocasionada pelas águas do Rio Amazonas,uma 179
vez que esta estação esta apenas a 35,71 km de distância da foz. 180 181 182 183 184 185 186 187
Curva de classificação 188
189
A (Figura 3), indica a curva de classificação que permitiu estimar o ponto exato da 190
vazão de margem plena para as reguas linimétricas de acordo com os dados obtidos pela 191
Agencia Nacional de AguaANA, servindo de apoio para a validacao dos resultados 192
alcançados a partir de dados espaciais. 193
194
A elaboração da curva de classificação foi efetivada com informações diárias e 195
mensaisde cota e vazão, para uma melhor visualização do extravasamento da descarga de 196
margem plena, a curva de classificação e mostrada nas imagens (b), (d), (f) com medias de 197
dados mensais. 198
199
A (Tabela 3) mostra os resultados das vazões observadas, ou seja, obtidas através da 200
curva de classificação, bem como a vazão calculada a partir da formula empírica para as 201
estações altimétricas com os produtos originados dos satélites ENVISAT e JASON-2 com 202
os seus algoritmos de tratamento Ice 1 e Ice 3. 203
204
Estação Linimetrica
Vazão
Obs.
Vazão calculada
Cucuí QMPo bs (m³/s) JASON 089-1 ENVISAT 493 4 (m³/s) Ice 1 Cal (m³/s) RMS (%) Ice 3 Cal (m³/s) RMS (%) RMS (%) 8467 8487 0,2 8106 -4,2 Curicuriari QMPo bs (m³/s) JASON 089-3 ENVISAT 994 (m³/s) Ice 1 Cal (m³/s) RMS (%) Ice 3 Cal (m³/s) RMS (%) RMS (%) 20694 21283 -2,8 20686 -0.1 20869 0,8 Serrinha QMPo bs (m³/s) JASON 165 ENVISAT 364 (m³/s) Ice 1 Cal (m³/s) RMS (%) Ice 3 Cal (m³/s) RMS (%) RMS (%) 26152 26152 -0,1 26445 0,9 27016 3,1 205
Tabela -3 Resultado do calculo de vazao. 206
207 208
Os resultados dos calculos obtidos, não mostraram maiores discrepância em relação 209
aos dados da curva de classificação, ou seja, os RMS estão condizentes com o observado. 210
Ao comparar os resultados entre os algoritmos de tratamentoIce-1 e Ice-3, a maior diferença 211
obtida foi de 0,962 m³/s na estação de Curicuriari. Os dados obtidos na estação linimétrica 212
de Serrinha, indicaram um dos melhores resultados, uma vez que neste plano de água há o 213
cruzamento dos traços de satélite JASON-2 e ENVISAT. 214
215
DISCUSSÃO 216
217
A aplicação da altimetria espacial mostrou-se muito promissora para grandes sub-218
bacias fluviais Amazônicas, possibilitando a realização de grandes quantidades de medidas, 219
porém quando se trata da largura ou topografica isso pode afetar negativamente os dados 220
altimetricos. 221
222
Os resultados do cálculo de vazão ao longo do Rio Negro foramconsistentes, com 223
excessão do traço NEGRO_149 que forneceu um resultado incoerente devido a sua 224
topografia, ou seja, um efeito natural conhecido como barragem hidraúlica ocasionada pelas 225
águas do Rio Amazonas. 226
227
Observa-se que dados hidrologicos e geomorfologico são essenciais na validação dos 228
resultados de produtos altimétricos, podendo afetar negativamente seus resultados, como 229
pode ser observado na estação de Cucuí, ondeos dados de vazão no traço do satelite 230
ENVISAT não pode ser utilizado como validação, pois, neste caso a seção da área difere da 231
seção do ponto de localização da régua de Cucuí comprometendo o resultado de vazão. 232
Entretanto as validações referentes aos cálculos de vazão na estação de Serrinha mostraram-233
se bastante sólido, uma vez que neste mesmo plano há um ponto de cruzamento do traço dos 234
satélitesJASON-2 e ENVISAT, que auxilia na consistencia, a tabela (Tabela 4) permite a 235
visualização dos RMS em torno de - 4,1 a 3,2 para as tres estacoes altimetricas considerado 236
aceitavel. 237
238
Contudo nosso método permite extrair profundidade, largura, declividade, área e 239
vazão esses parâmetros sâo valiosos para a compreensão do rio. A metodologia 240
desenvolvida deve apoiar trabalhos futuros para pequenas e grandes bacias como a bacia 241
Amazônica onde a modelagem hidrodinâmica foi impedida pela falta de dados in situ e 242
como averiguada as informações altimetricas são bastante promissoras uma vez que os 243
rsultados mostraram-se bastante sólidos. 244
245
AGRADECIMENTOS 246
247
Ao Centre de Topographie des Océans et de l'Hydrosphère – CTOH do Laboratoire 248
d´Études en Geophysique et Océanographie Spatiales – LEGOS, pelos Geophysical Data 249
Records – GDRs e as correções troposféricas correspondentes e à European Space Agency – 250
ESA pela garantia do uso dos dados da missão ENVISAT disponibilizados para a pesquisa. 251
À Agência Nacional de Águas – ANA, pelos dados linimétricos. 252 253 REFERENCIAS 254 a) Livro 255
USDA (United States Department of Agriculture) FISRWG (Federal Interagency Stream 256
Restoration Working Group) Stream corridor restoration: principles, processes and practices. 257
National Technical Information Service, U.S. Department of Commerce, Springfield, Va, 258
1998. cap. 7, pp 1-96. 259
a) Artigo em revista 260
ALSDORF, D .E.; BIRKETT, C. M.; DUNNE, T.; MELACK, J.; HESS, L. Water 261
level changes in a large Amazon lake measured with spaceborne radar interferometry and 262
altimetry. Geophysical Research Letters. v. 28 (14), p. 2671 - 2674, 2001a. 263
264
CALMANT, S., SEYLER, F., CRETAUX, J-F., 2008, “Monitoring Continental Surface 265
Waters by Satellite Altimetry”, Survey in Geophysics, v. 29, n. 4-5, pp. 1573-0956. doi: 266
10.1007/10712-008-9051-1 267
268
DINGMA E SHARMAM (1997) St Statistical development and validation of 269
discharge equations for natural channels,
Journal of Hydrology, 199 (1997) 13-35. 270271
FILIZOLA N.P., 1999. O fluxo de sedimentos em suspensão nos Rios da bacia Amazônica 272
Brasileira. ANEEL, Brasília. pp. 63. 273
274
FRAPPART, F., PAPA, F., FAMIGLIETTI, J. S., PRIGENT, C., ROOSSOW, W. B., 275
SEYLER, F., 2008, “Interannual variations of river water storage from a multiple satellite 276
approach: A case study for the Rio Negro River basin”, Journal Geophysical Research, 277
v. 113, pp. D21104, doi: 10.1029/2007JD009438. 278
279
LATRUBESSE, E. M., STEVAUX, J. C., SINHA, R., 2005, “Tropical rivers” 280
Geomorphology, v. 70, n. 3-4, pp.187–206. doi:10.1016/j.geomorph.2005.02.005 281
282
MEADE, R. H., RAYOL, J. M., DA CONCEIÇÃO, S. C., NATIVIDADE, J. R. G., 1991, 283
“Backwater effects in the Amazon river basin of Brazil”, Environmental Geology and Water 284
Sciences, v. 18, n. 2, pp. 105-114. doi: 10.1007/BF01704664. 285
286
MOLINIER, M., 1995, “Régionalisation des débits du bassin amazonien : premiers 287
résultats”. In: LE BARBÉ, L. e SERVAT, E. (eds.), VIII Journées hidrologiques 288
Régionalisation en hydrologie: application au développement, pp. 489-502. 289
290
ZAKHORA A. ELENA; KOURAEV V. ALEXEI,CAZENAVE A., SEYLER 291
FREÉDERIQUE SEYLER. Amazon River discharge estimated from TOPEX/Poseidon 292
altimetry/ C. R. Geoscience 338 (2006) 188–196 293
294
b) Artigos em anais e congresso ou simposio 295
JASINSKI, M.J., BIRKETT, C.M., CHINN, S., Costa, M.H., 2001. In: Abstract, 296
NASA/NOAAGAPP and Hydrology Principal Investigators Meeting, April 30–May, 297
Potomac, MD. 298
299
PAVLIS, N. K. et al., 2008, Factor J.K. An Earth Gravitational Model to Degree 2160: 300
EGM2008. Em: Proceedings of the 2008 General Assembly of the European Geosciences 301
Union, Vienna, Austria, 13-18/04/2008. Disponível em:
http://earth-302 info.nga.mil/GandG/wgs84/gravitymod/egm2008/egm08_wgs84.html 304 . 303 c) Site 305
GOOGLE EARTH (2011), Google Earth, versão 6.0.3.2197. Google Inc. 306
307
VALS Tool, 2011, Virtual ALtimetryStation, Versão 1.0.3, 05/2011, COCHONNEAU, G. e 308
CALMANT, S. Disponível em: http://www.mpl.ird.fr/hybam/outils/logiciels_test.php
