LEVANTAMENTO TOPOBATIMÉTRICO EM RESERVATÓRIOS.
ESTUDO DE CASO: PCH MOGI-GUAÇU
Marcus V. Estigoni 1*, Renato B. de Miranda2 &Frederico F. Mauad3
Resumo – O assoreamento de reservatórios é definido simplificadamente como o acúmulo de sedimentos, causando a diminuição de sua capacidade de armazenamento podendo levar ao atendimento parcial de sua finalidade, ou mesmo interrompimento de sua operação. Desse modo, a utilização de técnicas para cálculo de seu volume é de grande importância tanto para a gestão de águas no país, quanto para a gestão energética nacional. A medição do grau de assoreamento de um reservatório é feito por meio de levantamentos topobatimétricos. O presente trabalho apresenta por meio do estudo de caso do reservatório da PCH Mogi-Guaçu (SP) a combinação dos métodos de levantamento de seções topobatimétricas (uso de ecobatímetro e sistema de posicionamento via satélite) e o método do levantamento de contorno, utilizando imagens aéreas e dados topográficos de levantamento aerofotogramétrico. Adicionalmente foi empregada técnicas de modelagem de terreno que visam a melhoria da integração de dados coletados em seções batimétricas e em formato de curvas de nível (método IMP). O uso dos métodos em conjunto proporcionou a obtenção da curva cota-área-volume até as cota máxima maximorum do reservatório. A técnica IMP se mostrou eficiente na combinação dos dados, reduzindo anomalias normalmente geradas por técnicas de modelagem amplamente utilizadas.
Palavras-Chave – Levantamento topobatimétrico, Modelagem de Terrenos, Curva Cota-Area-Volume.
RESERVOIR BATHYMETRIC SURVEY. STUDY CASE: SHP MOGI-GUAÇU
Abstract – Reservoir sedimentation can be simply explained as sediment accumulation, causing the reservoir storage capacity reduction, which leads to diminish the ability to attend its primary uses, or even interrupt its operation. Studies to measure reservoir volumes and sedimentation are of great importance for water and energy security issues. Bathymetric surveys are performed to assess reservoir volumes and sedimentation. This paper presents the use of three different data acquisition techniques to obtain reservoir volume data, the range lines bathymetric survey method (single beam survey), the contour method using aerial imagery and topographic data from aerial fotogrametry. Additionally, and innovative terrain modeling technique (IMP) were applied to improve the modeled data between bathymetric range lines and the contour lines. The three techniques used together allowed to assess the reservoir volume data up to the max maximorum elevation. The IMP was efficient in avoid anomalous shallow areas near the border, proved to be a good tool to be used. Keywords – Bathymetric survey, terrain modeling, elevation-area-volume curve
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* Pesquisador do Núcleo de Hidrometria, Centro de Recursos Hídricos e Estudos Ambientais, Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, NH-CRHEA-EESC-USP: marcus.estigoni@usp.br
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INTRODUÇÃO
Todo o gerenciamento de um reservatório é feito através dos dados de volume, normalmente expressos pela relação entre a cota, a área do espelho d’água e o volume a ela associados, sejam por tabelas ou curvas chamadas Cota-Área-Volume (CAV). Sendo assim, por meio do conhecimento do nível das águas do reservatório, se verifica a área de seu espelho d’água e o volume que este possui no exato momento, fornecendo subsídio para se determinar vazões a serem utilizadas em seus diversos usos, manobras operacionais, a abertura ou fechamento de comportas, etc.
A construção de uma barragem transforma ambientes lóticos em ambientes lênticos, num processo onde a velocidade do fluxo da água dos rios diminuem gradualmente. Como consequência os materiais em suspensão que antes eram carreados pelo fluxo começam a se depositar, primeiro os materiais maiores e mais pesados, e posteriormente os mais finos e leves (Glymph, 1973; Carvalho
et al. 2000). Com o passar do tempo, o acúmulo de sedimento muda o seu relevo de fundo do
reservatório, passando a ocupar o volume inicialmente destinado a armazenar a água. Esta redução da capacidade de reservação acarreta no comprometimento de seus usos, e em casos mais avançados, onde o sedimento chega a tomada da água, o uso do reservatório é forçado a parar (ANA, 2009; Miranda, 2011).
Ante os cenários de crise hídrica como presenciado nos anos de 2014 e 2015 no país, desconsiderar o fato da perda de capacidade de armazenamento de reservatórios (e diminuição de vazão regularizada e da capacidade de atendimento dos seus usos, sejam para abastecimento, geração de energia, navegação, e etc.) é um erro grave na gestão dos recursos hídrico, mostrando assim a importância de estudos de assoreamento de reservatório no cenário atual, sendo fundamentais para estudos de segurança hídrica e planejamento energético nacional, além de serem de interesse das empresas de serviços de abastecimento de água e concessionárias de energia. Destaca-se também que o cálculo do assoreamento e do volume de reservatórios são utilizados para diversas finalidades, além da gestão do próprio reservatório, como estudos de: segurança e rompimento de barragens, ecologia de reservatórios e modelos de dispersão de nutrientes, modelagem hidrodinâmica, modelagem de transporte de sedimentos, emissão de carbono por reservatórios, entre outros.
A determinação do relevo de fundo do reservatório é feita por meio de levantamentos batimétricos. Os métodos mais comuns de se realizar o levantamento batimétrico são o levantamento de contorno e o levantamento de linhas topobatimétricas (ICOLD, 1989). A evolução dos equipamentos nos permite hoje incluir um terceiro item o qual é a varredura completa do leito. É comum o uso de métodos em conjunto explorando suas potencialidades (Estigoni et al., 2014a).
O primeiro método é mais simples e preciso para cálculo da capacidade de um reservatório, consiste do levantamento da área e perímetro do espelho d’água em diferentes níveis por meio de técnicas de levantamentos topográficos assumindo a horizontalidade do mesmo. Só pode ser aplicada durante um eventual esvaziamento ou em reservatórios com grande amplitude na variação de nível. (Heinemann, 1963; Carvalho et al., 2000). Seus dados são análogos a curvas de nível.
O levantamento de linhas batimétricas é mais simples de ser executado. Consiste em levantar dados de profundidade ao longo de todo o reservatório, sendo levantados quantos dados forem necessários para que através de técnicas de modelagem 3D possa ser determinado seu relevo de fundo e seu volume. Geralmente são coletados em seções transversais ao corpo hídrico. Devido a sua maior aplicabilidade o levantamento de linhas topobatimétricas é comumente visto como o único método para realização deste tipo de estudo (BLANTON, 1982). Porém a coleta de dados nas cotas mais elevadas do reservatório são inviáveis por questões de navegabilidade e na parte seca é necessário o uso de técnicas de topografia, as quais são sujeitas as condições do local (zonas de pântanos, vegetação densa, encostas rochosas, etc.) e podem ser inviáveis (Estigoni, 2012),
limitando o levantamento até cotas inferiores ao nível do reservatório no dia da coleta (usualmente não se navega em profundidades menores que 1 metro por questões de segurança).
O terceiro método que é a varredura completa do leito, a qual surgiu com a criação dos ecobatímetros multifeixe, os quais possuem diversos sensores dispostos de maneira angular, coletando dados em uma faixa, possibilitando que seja realizada coleta de dados por todo o leito.
A literatura relata que ao utilizar em conjunto dados de levantamento em seções tobobatimétricas com dados do contorno do reservatório e dados topográficos em formato de curvas de nível, técnicas usuais de modelagem de terrenos tentem a produzir zonas erroneamente rasas junto às bordas do reservatório, superestimando o cálculo assoreamento (Grigorescu et al., 2007; Furnans & Austin, 2008; Estigoni et al., 2014b). Uma alternativa para melhorar o uso conjunto dos métodos é a técnica de modelagem de terrenos IMP – Inserção de Malha de Pontos, proposta inicialmente em Estigoni (2012) e aperfeiçoada por Matos (2012).
Ante a importância do tema, o presente trabalho apresenta um estudo de caso da aplicação em conjunto de método de levantamento de contorno e do levantamento em seções batimétricas, além de dados topográficos de levantamento aerofotogramétrico, de modo a potencializar os benefícios de cada método para o cálculo de volume de reservatórios, utilizando a técnicas de modelagem de terreno IMP para melhor acoplamento dos métodos.
ESTUDO DE CASO
Localizada entre os municípios de Mogi-Guaçu e Mogi - Mirim, o barramento que represa as águas do rio que dá nome às cidades e ao empreendimento (Rio Mogi-Guaçu) possui uma potência instalada de 7,2 MW. Suas obras foram iniciadas em 1990 e entrou em operação em 1994. Inicialmente de propriedade da CESP (Companhia Energética de São Paulo) foi adquirida pela AES Tietê S.A no fim da década de 90 durante a grande privatização do setor elétrico e permanece sob concessão dessa empresa.
Seu reservatório possui uma seção de travessia de uma ponte, a qual possui largura semelhante ao canal natural no rio, dividindo o comportamento sedimentológico do reservatório a montante deste local (indicado como área 1 na figura 1). Toda esta região apresenta um avançado estágio de assoreamento, com o desenvolvimento de grandes bancos de sedimentos com presença de macrófitas, as impedem a navegação fora da calha principal do rio Mogi-Guaçu.
Figura 1 - Localização do reservatório Mogi-Guaçu. Limites originais do reservatório e separação em três áreas de comportamento sedimentológico distinto e imagem aérea de 2011 (EMPLASA, 2011).
MATERIAIS E MÉTODOS
Levantamento topográfico Aerofotogramétrico
Os dados altimétricos, utilizados em integração com os dados batimétricos provêm de levantamento aerofotogramétrico realizado em 2011 pelo Projeto Mapeia do Governo do estado de São Paulo (EMPLASA, 2011). O levantamento possui escala 1:10000, equidistância das curvas de nível é de 5 metros em sistema SIRGAS2000. Os dados são em formato digital compatível com software ArcGIS.
Levantamento do contorno
Também foram obtidas imagens aéreas do local junto por meio do Projeto Mapeia (EMPLASA, 2011). As imagens foram utilizadas para inferir as cotas de alagamento, bem como o nível máximo do reservatório, técnicas de fotointerpretação, utilizando características da vegetação e ou feições construtivas para estimar o nível máximo operacional (Matos, 2012; Estigoni, 2012; e Estigoni et. al., 2014ab). Adicionalmente utilizaram-se dados do projeto construtivo da barragem para refinamento de detalhes junto ao barramento, e para inferir dados do relevo próximo à barragem onde a coleta de dados se mostrava inviável por questões de segurança da embarcação. A figura 2 mostra exemplos da digitalização do nível máximo operacional. A figura 3 mostra o nível máximo operacional (método do levantamento do contorno) e o nível máximo maximorum (obtido por meio de interpolação com dados do levantamento topográfico).
Figura 2 - Detalhes do nível máximo operacional obtido pelo método do levantamento de contorno.
Figura 3 - Limite máximo operacional determinado por fotointerpretação e máximo maximorum obtido por meio de interpolação com dados do levantamento topográfico da EMPLASA (2011).
Levantamento de seções batimétricas
Os equipamentos empregados na coleta de dados foram: ecobatímetro modelo BATHY 500 MF (Sy Qwest. Inc.); dispositivo de posicionamento via satélite que utiliza a constelação GPS (Global Positioning System) modelo GS20 (Leica Geosystems); e o software para coleta e tratamento dos dados HYPACK MAX (HYPACK Inc.). A calibração da velocidade do som foi feita pela técnica do bar-check diariamente. Também foram medidos todos os dias o nível operacional do
reservatório e a profundidade do transdutor do ecobatímetro, sendo estes compensados no pós-processamento.
Foi feita a análise individual dos dados digitais de cada seção, sendo o comportamento destas comparado ao seu ecograma analógico e às das seções de levantamento próximas, de forma a verificar a existência ou não de um padrão de comportamento da anomalia encontrada. Observações da equipe de campo sobre a coleta de dados também são consideradas no momento da identificação de possíveis erros.
Figura 4- Esquema de montagem dos equipamentos. Exemplo de correção de dados anômalos
Segundo o método previsto pela Agência Nacional de Águas (ANA, 2013) o valor de referência de espaçamento entre seções seria de 56 m. Porém, como apontado em Estigoni (2012), regiões mais estreitas de reservatórios necessitam de maior grau de detalhamento, sendo assim praticou-se um espaçamento variável entre seções, variando de 10 a 50 m (Figura 5).
Figura 4- Seções de levantamento batimétricas realizados no reservatório de Mogi-Guaçu.
Geração do MDT
A geração do MDT foi feita pelo método da Inserção de Malha de Pontos - IMP desenvolvido pelo Núcleo de Hidrometria da EESC-USP, inicialmente por Estigoni (2012) e aperfeiçoado por Matos (2012). Outras aplicações são apresentadas posteriormente por Estigoni et al. (2012, 2014b, 2014c). A principal vantagem deste método está na minimização da influência das bordas no processo de modelagem, principalmente nas zonas entre seções de levantamento. Nestes locais, a conectividade dos dados da borda até regiões mais centrais ao reservatório produzem modelos com
cota limite utilizada na modelação quando os dados do contorno do reservatório são interpolados entre si. Minimizando esses efeitos o método IMP fornece dados de volume do reservatório mais próximos da realidade.
Os procedimentos realizados são:
1. Extrair o contorno da batimetria (pontos extremos) e gerar um polígono 2. Gerar um TIN utilizando somente os dados da batimetria do reservatório 3. Gerar um Raster com o TIN obtido na segunda etapa
4. Extrair uma máscara do Raster utilizando o contorno da batimetria obtido na primeira etapa
5. Converter em pontos a máscara do Raster extraída na quarta etapa
6. Gerar o TIN final utilizando a malha de pontos obtido na quinta etapa (masspoint), os transectos da batimetria (masspoint) e a borda original do reservatório (softclip).
Maiores detalhes sobre o desenvolvimento e algumas aplicações do método IMP podem ser encontrados em Estigoni (2012) e Matos (2012).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
No trecho de montante do reservatório (área 1 apontada na figura 1) a navegação foi impossibilitada devido as condições de baixas profundidades e de grande presença de macrófitas, impedindo a coleta pela técnica de levantamento de seções batimétricas. A variação entre bancos de sedimentos acima do nível da água (provavelmente formados em períodos com o reservatório próximo ao seu nível máximo e devido a sobreposição da vegetação) e bancos submersos com macrófitas presas ao fundo, ambos com características semelhantes de vegetação (braqueáreas) dificultou o processo de fotointerpretação para a aplicação do método do levantamento de contorno. Desta forma, o presente levantamento considerou apenas o trecho de jusante da ponte.
O método das seções batimétricas foi capaz de coletar dados até aproximadamente 1,5 m abaixo do nível operacional observado durante a coleta, sendo o dado de maior cota 598,77 m.
O levantamento topográfico (EMPLASA, 2011) permitiu a obtenção de dados até o nível maximorum (602,0 metros), enquanto que o levantamento de contorno possibilitou a aquisição de informações em cota intermediária entre esses valores, apresentando um refinamento da modelagem do terreno nas cotas superiores referentes ao volume útil do reservatório.
Pode-se notar que quase não se observa zonas planas ou descontinuidades do relevo nos trechos entre seções batimétricas junto às margens, problemas esses comumente encontrados em levantamentos segundo (Grigorescu et al., 2007; Furnans & Austin, 2008), indicando que o método de modelagem de terrenos IMP foi capaz de corrigir esses erros assim como nos trabalhos anteriores (Matos 2012; Estigoni et al., 2014b,c).
A figura 5 apresenta o MDT gerado e a tabela 1 apresenta o resumo dos dados da CAV. Tabela 1 – Tabela resumo dos dados de CAV do reservatório de Mogi-Guaçu.
Cota (m) Volume (10-6 m³) Área (ha) Cota (m) Volume (10-6 m³) Área (ha)
602,0 14,32 252,11 592,0 0,50 32,20 600,0 9,48 235,62 591,0 0,25 19,46 599,0 7,54 181,21 590,0 0,10 9,62 598,0 5,81 167,60 589,0 0,04 4,22 597,0 4,28 141,75 588,0 0,01 1,43 596,0 3,02 109,29 587,0 0,00 0,46 595,0 2,10 78,52 586,0 0,00 0,16 594,0 1,43 60,98 585,0 0,00 0,01 593,0 0,89 47,74 584,0 0,00 -
Figura 5- Mapa batimétrico do reservatório de Mogi-Guaçu.
CONCLUSÕES
O presente trabalho apresentou o uso de três técnicas distintas para a obtenção de dados topobatimétricos para a mensuração do volume de reservatórios, bem como o uso da técnica de modelagem de terrenos IMP (Estigoni et al., 2014b) que minimiza os erros comumente obtidos no acoplamento de dados batimétricos coletados em seções com dados de levantamento do contorno ou dados topográficos em formato de curvas de nível.
A obtenção de dados pelo método de seções batimétricos permitiu o mapeamento de fundo da parte molhada do reservatório de forma satisfatória, porém este método foi incapaz de realizar medições em regiões rasas devido a limitações do ecobatímetro e segurança da embarcação, ficando toda área próxima às margens sem medições. O auxílio das imagens aéreas para a utilização do método do contorno permitiu extrair dados do nível operacional (associado a dado de cota do nível medido junto a represa no dia da foto) e do nível máximo operacional normal por meio de técnicas de fotointerpretação, porém só esta técnica não é capaz de mensurar a área alagada e nem as áreas do volume de espera (entre o nível máximo operacional normal e o máximo maximorum). Somente com o uso de dados de levantamento topográfico é que foi possível mensurar o volume do reservatório além do limite da lâmina d’água permitindo obter a CAV até a cota máximo
maximorum.
O uso em conjunto dos três métodos de coleta de dados proporcionou a mensuração do volume do reservatório desde a sua cota mais profunda até o seu limite máximo maximorum. Assim como nas aplicações prévias já (Matos, 2012; Estigoni, 2012; Estigoni et al., 2014b,c), a integração dos diferentes dados pela técnica do IMP se mostrou eficiente em evitar a modelagem de zonas erroneamente rasas ou planas nos trechos entre seções próximos as margens.
O trecho de montante do reservatório, o qual apresenta uma grande planície de inundação com presença de macrófitas e bancos de sedimento não conseguiu ser medida por nenhuma das técnicas utilizadas. O levantamento por varredura laser (LIDAR) deve ser capaz de obter dados topográficos em regiões com estas características, porém a obtenção de dados de profundidade abaixo de bancos de macrófitas flutuantes ainda é um desafio. Pesquisas devem ser feitas visando solucionar este problema.
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