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15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental PLANEJAMENTO, IMPLANTAÇÃO E OPERAÇÃO DE UMA REDE DE PLUVIÓGRAFOS NA SERRA DO MAR PARANAENSE Mariana M. Victorino 1 ; Liamara Paglia Sestrem 2 ; Alessander C. M. Kormann 3 ; Laisa Benetti 4 Resumo – Este trabalho foi motivado pela compreensão da relação entre a chuva e os movimentos de terra desenvolvidos nos taludes rodoviários de um trecho da BR-376 localizado entre os municípios de Tijucas do Sul-PR e Garuva-SC que intercepta a Serra do Mar. Ele apresenta as etapas de planejamento, concepção e operação de uma rede de pluviógrafos em operação desde fevereiro de 2014. Os registros de chuva obtidos evidenciaram a importância de se monitorar os volumes precipitados ao longo de diferentes altitudes em regiões da Serra do Mar tendo-se em vista a complexidade inerente ao regime pluviométrico local. Abstract – This paper was motivated by the understanding of the relationship between rain and landslide in road slope on the BR-376 road that is between the Tijucas do Sul-PR city and Garuva –SC city on the Serra do Mar. It shows the planning, design and operation of rain-gauges in operation since February 2014. The rainfall data showed the importance of monitoring the precipitated volumes over different altitudes in Serra do Mar having in view the complexity inherent in the local rain regime. Palavras-Chave – Pluviógrafos; chuva; escorregamentos; Serra do Mar. 1 Eng., Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, [email protected] 2 Eng., Me., Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, [email protected] 3 Eng., Dr., Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, [email protected] 4 Eng., Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, [email protected]

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15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

PLANEJAMENTO, IMPLANTAÇÃO E OPERAÇÃO DE UMA REDE DE PLUVIÓGRAFOS NA SERRA DO MAR PARANAENSE

Mariana M. Victorino1; Liamara Paglia Sestrem2; Alessander C. M. Kormann3; Laisa Benetti4

Resumo – Este trabalho foi motivado pela compreensão da relação entre a chuva e os movimentos de terra desenvolvidos nos taludes rodoviários de um trecho da BR-376 localizado entre os municípios de Tijucas do Sul-PR e Garuva-SC que intercepta a Serra do Mar. Ele apresenta as etapas de planejamento, concepção e operação de uma rede de pluviógrafos em operação desde fevereiro de 2014. Os registros de chuva obtidos evidenciaram a importância de se monitorar os volumes precipitados ao longo de diferentes altitudes em regiões da Serra do Mar tendo-se em vista a complexidade inerente ao regime pluviométrico local.

Abstract – This paper was motivated by the understanding of the relationship between rain and landslide in road slope on the BR-376 road that is between the Tijucas do Sul-PR city and Garuva –SC city on the Serra do Mar. It shows the planning, design and operation of rain-gauges in operation since February 2014. The rainfall data showed the importance of monitoring the precipitated volumes over different altitudes in Serra do Mar having in view the complexity inherent in the local rain regime.

Palavras-Chave – Pluviógrafos; chuva; escorregamentos; Serra do Mar.

1 Eng., Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, [email protected] 2 Eng., Me., Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, [email protected] 3 Eng., Dr., Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, [email protected] 4 Eng., Universidade Federal do Paraná, Curitiba, Brasil, [email protected]

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1. INTRODUÇÃO

No Brasil e no mundo, desastres naturais deflagrados pelas chuvas e relacionados a estabilidade de taludes vêm se mostrando um tema amplamente discutido na sociedade visto sua importância social, econômica e ambiental. Neste contexto a compreensão da dinâmica pluviométrica regional responsável pela ocorrência de movimentos de terra torna-se relevante e consequentemente o monitoramento das chuvas por meio de instrumentação adequada indispensável.

Na região sul do país, o trecho da BR-376 situado na Serra do Mar possui um histórico de eventos de instabilização normalmente precedidos por precipitações pluviométricas intensas entretanto, a escassez de dispositivos e técnicas eficientes na determinação dos volumes e comportamento local das chuvas dificultam a correlação entre determinados níveis de chuva e escorregamentos. De fronte a esta problemática, que não é particular da área de estudo em questão, este trabalho apresenta uma síntese dos métodos e instrumentos capazes de auxiliar na compressão da dinâmica pluviométrica além da descrição do plano de concepção e análise de dados provenientes da rede de pluviógrafos instalada na área de estudo.

2. TÉCNICAS PARA DETERMINAÇÃO DE PLUVIOMETRIA

A definição da técnica para se medir os índices de chuva em determinada região são variadas. Dentre elas podem-se listar as técnicas indiretas baseadas em sistema de radares e satélites e as diretas baseada em instrumentação local denominada pluviômetro.

Frequentemente, as bacias estão desprovidas de monitoramento pluviométrico com transmissão em tempo real ou então, estão providas com uma rede de monitoramento muito esparsa, como identificado por De Araújo (2006). Neste contexto, Collischonn (2006) aponta as estimativas espaciais de precipitação como ferramentas extremamente úteis.

Uma grande variedade de produtos de estimativa de chuva por satélites e radares está disponível, com diversas resoluções temporais e espaciais. O programa de satélites NOAA, gerido pelo National Oceanic and Atmosferic Administration (NOAA) através da National Aeronautics and Space Administration (NASA), é responsável pelo desenvolvimento e lançamento dos satélites e radares. Os dados são distribuídos pelo National Environmental Satellite Data andInformation Service (NESDIS) dos Estados Unidos. A Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais (DSA), uma das divisões do Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC), em cooperação com o NOAA, é responsável pelas operações de transferência e recepção de dados dos satélites GOES-10, GOES-12 e GOES-13 para a América do Sul.

O Satélite Ambiental Operacional Geoestacionário (GOES) é um dispositivo de 5 canais espectrais, sendo um visível (0,55-0,75 ), com resolução de 1km, três canais infravermelhos (3,8-4,0 , 10,2-11,2 , 11,5-12,5 ) com resolução de 4km e o canal de vapor d’água (6,5-7,0 ), com resolução de 8km. Está posicionado sobre o Equador à uma altura de 35.800km e tem como objetivo monitorar as condições meteorológicas severas como furacões e tempestades. O GOES-12, dedicado ao monitoramento da América do Sul e oceanos adjacentes, fornece imagens a cada 15 minutos e a estimativa de precipitação por meio de imagens de satélite é realizada através do algoritmo chamado hidroestimador.

O hidroestimador é um método inteiramente automático que utiliza uma relação empírica exponencial entre a precipitação (estimada por radar) e a temperatura de brilho do topo das nuvens (extraídas do canal infravermelho do satélite GOES-12), gerando taxas de precipitação em tempo real. Através da tendência de temperatura da nuvem e informações de textura é realizado um ajuste da área coberta pela precipitação. Variáveis como água precipitável, umidade relativa, orografia, paralaxe e um ajuste do nível de equilíbrio convectivo para eventos de topos quentes são utilizadas para ajustar automaticamente a taxa de precipitação (INPE, 2013).

Outro método para se estimar precipitação pluviométrica é por meio de radar. Neste caso, as observações são realizadas a cada hora e a taxa de chuva é calculada utilizando a relação Z-R (Refletividade - Precipitação) de Marshall Palmer. A Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais (DSA), assim como a Rede de Meteorologia do Comando da Aeronáutica (REDEMET),

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disponibilizam imagens de radares meteorológicos que fazem parte da Rede de Estações Meteorológicas (REM) mantida pelo Departamento de Controle do Espaço Aéreo (DECEA).

Da Costa (2007) avaliou os dados produzidos pela rede de radares localizados no Centro-Sul do Brasil. O Radar Morro da Igreja apresentou uma diferença média da ordem de 0,79dBZ em relação ao radar a bordo do satélite TRMM, do tipo banda Ku. O autor considera essa diferença aceitável pois, baseado no trabalho de Chandrasekar et al. (2006), uma diferença da ordem de 2dBZ quando se compara um radar de banda S com outro de banda Ku, representa um erro dentro do esperado e atribuído à manutenção regular realizada pelo CINDACTA II.

A diferença considerada como aceitável por Da Costa (2007) e Chandrasekar et al. (2006) é contestável, visto que, de acordo com Hunter (1996), uma diferença de 1dBZ na calibração dos instrumentos pode causar um erro de 17% na taxa de precipitação. Outros erros podem estar inseridos, tais como: incertezas entre o valor da refletividade e sua relação com as condições de superfície, presença de banda brilhante causando superestimativas e o mascaramento da precipitação em regiões montanhosas em função da alta elevação do feixe do radar para evitar o seu bloqueio (WALLACE e HOBBS, 2006; WESTRICK, 1999 apud. CALHEIROS, 2008).

Destacam-se como dispositivos de medição direta de chuva os pluviômetros e pluviográfos. O pluviômetro é um aparelho contendo uma superfície de captação horizontal e um reservatório para acumular a água recolhida ligado à esta área de captação. Diferententemente do primeiro, os pluviógrafos são aparelhos que registram o volume de água precipitada por unidade de tempo automaticamente.

Existem diversos modelos de pluviômetros, sendo os mais comuns: o pluviômetro do United States Weather Bureau (muito utilizado nos Estados Unidos), Ville de Paris (muito utilizado no Brasil) (TUBELIS e NASCIMENTO, 1986; SENTELHAS e CARAMORI, 2002). O pluviógrafo de báscula é próprio para utilização em estações metereológicas automáticas, por não necessitar da intervenção humana para a sua leitura e esvaziamento.

De acordo com Mieres et al. (2011), o monitoramento da precipitação, seja por pluviômetros, pluviógrafos, satélites ou radares está sujeito a erros. O autor descreve que o monitoramento por pluviômetros possui baixa representatividade espacial, mesmo quando há uma rede densa, agravada quando a precipitação é de origem convectiva e isolada (TUCCI 1993 e CALVETTI et al., 2003 apud. MIERES et al., 2011), como é o caso da chuva orográfica, muito comum na região serrana, que pode não ser registrada pelo equipamento se este não estiver localizado sob o local de ocorrência do evento pluviométrico.

Braga (2008) apresenta resultados de um estudo que avaliou 07 pluviógrafos de báscula com relação à sua capacidade de responder adequadamente à ocorrência de chuvas intensas. Foram verificados erros entre 01 e 17% nos diferentes equipamentos, sendo possível observar que quanto maior for a precipitação instantânea, maior será o erro de medição. O autor confirma ainda uma tendência à submedição da precipitação durante instantes em que a chuva é intensa.

Dessa forma, a estimativa de precipitação através dos satélites e radares meteorológicos se mostra vantajosa por possuir ampla cobertura espacial e temporal. Entretanto, De Araújo (2006) alerta, porém, que a estimativa está sujeita a erros por diversos fatores, entre eles: erros instrumentais, como por exemplo, erros de calibração do equipamento e até mesmo a alta complexidade e variabilidade na relação de medida dos parâmetros da precipitação, podendo variar ainda com fatores como localização, estação do ano e tipo de chuva.

Conti (2002), em estudo objetivando verificar a aplicabilidade e a eficiência da estimativa de precipitação através de imagens de satélite, concluiu que a qualidade das estimativas da precipitação com sensoriamento remoto é pequena quando comparada com a precipitação observada pontualmente em postos pluviométricos. Apesar disso, o autor ressalta que esta última, da mesma forma, não é a representação indubitável, pois também está sujeita a interferências. As estimativas por satélite, por sua vez, apresentam uma vantagem por sua capacidade de especializar a precipitação com parâmetros físicos observados diretamente nas nuvens em toda a área de interesse, situação impossível de ser alcançada pelas extrapolações e interpolações convencionais e por permitir estimar a precipitação em áreas desprovidas de quaisquer informações. Apesar disso, o mesmo reconhece que a disponibilidade destes dados

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não dispensa a implantação de rede de postos pluviométricos e recomenda que as informações obtidas por satélites sejam tomadas como complementares, colaborando com o difícil problema de estimar a precipitação em todas as escalas espaciais e temporais.

3. CARACTERIZAÇÃO DA ÁREA DE ESTUDO

A área selecionada para compreensão da dinâmica pluviométrica é o trecho entre os quilômetros 646 e 682 da rodovia BR-376 entre Tijucas do Sul-PR e Garuva-SC (Figura 1). O trecho está localizado na Serra do Mar brasileira que caracteriza-se por um relevo montanhoso originado de processos geológicos e geomorfológicos diversos. Sua formação está inserida no compartimento das Serras e Morros e localiza-se na região costeira do país, mais especificamente entre os estados do Rio de Janeiro e o norte de Santa Catarina. Possui uma extensão aproximada de 2.000 km, largura de 5 a 10 km e altitude média de 1.000 m (Wolle & Carvalho, 1989).

As encostas rodoviárias em questão são compostas por solos de origem coluvionar e residual cujo comportamento é bastante influenciado por agentes ambientais, dentre eles a ação da precipitação pluviométrica, tornando-se naturalmente instáveis no que diz respeito a escorregamentos.

O clima local classifica-se como tropical úmido, sem uma estação seca, sendo a temperatura média do mês mais quente superior a 18ºC. A região é influenciada ainda pelos sistemas atlânticos polares e tropicais e não apresenta uma uniformidade climática em toda a sua área, devido aos fatores geográficos que acentuam determinadas características das massas de ar lá atuantes (ITCF, 1987). A presença de montanhas traz complexidade para o escoamento atmosférico e causa fenômenos como chuvas orográficas, movimento de ar ascendente localizado e forçado, bloqueio de frentes frias ou quentes, ondas de montanha, turbulência devido à quebra destas ondas, etc. Estes fenômenos dificultam a previsão da precipitação próxima a regiões serranas (INPE, 2013).

3.1. Dados de chuva provenientes de diferentes fontes

A seleção da melhor fonte de dados de chuva que subsidiarão a compreensão da dinâmica pluviométrica local foi influenciada por fatores de natureza econômica, técnica e logística. Baseada nesses fatores, a implantação da rede de pluviografos foi precedida pela avaliação da disponibilidade e qualidade dos dados disponíveis de radar, satélites e de estações pluviométricas já instaladas na região.

Com o intuito de avaliar a aplicabilidade dos dados de satélite na quantificação de chuvas, os dados de precipitação da estação pluviométrica de São João da Graciosa, localizada em Morretes – PR foram comparados com os dados obtidos através do satélite GOES‐12. Para o período entre 01/08/2011 e 31/08/2011, a correlação encontrada foi baixa (R2=0,02). Uma correlação mais forte (R2=0,8) para o período entre 01/03/11 e 31/03/11 foi verificada.

Ao validar as estimativas derivadas do satélite através do coeficiente de correlação entre valores pontuais (postos pluviométrico) e areais (satélite), Collischonn (2006) explica que, devido à variabilidade espacial da precipitação, podem‐se esperar valores de coeficiente de correlação distantes da unidade. Segundo o autor, a diferença em relação à unidade é composta por fatores como: erro de estimativa por satélite, erro de observação contido no dado pluviométrico e ainda uma parcela significativa devido ao fato de se estar comparando valores integrados espacialmente em escalas distintas (superfície da boca do pluviômetro e área do pixel que no caso do satélite GOES 12 é de 4 km2).

Estes erros contribuem claramente para redução da correlação entre valores pontuais e areais e podem ser os motivos que levam a baixa correlação obtida nas análises.

Visto que não existem radares meteorológicos que contemplem a região de estudo esta opção apesar de possuir, segundo a bibliografia (e.g. Da Costa, 2007 e D’ORSI, 2011), razoável

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grau de acerto e ser ferramenta fundamental para uma futura operação de um sistema de alerta de chuvas não chegou a ser avaliada neste primeiro momento da pesquisa.

Na seqüência, buscou-se avaliar a representatividade dos dados pluviométricos de 04 diferentes pluviógrafos denominados P Rio Claro, P Vossoroca, P Itararé e P Garuva. A localização dos pluviógrafos em relação a área de estudo são apresentados na Figura 1.

Para tal, os dados históricos destes instrumentos foram comparados entre si. A Figura 2 apresenta a precipitação mensal acumulada para os 04 pluviógrafos. Ressalta-se que os instrumentos ficaram inoperantes durante determinados períodos e por esse motivo a série histórica não é completa.

Figura 1. Localização dos pluviógrafos em operação próximos a área de estudo.(Fonte: Google Earth,

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As precipitações acumuladas registradas no pluviógrafo Garuva, instalado na zona de transição entre a Planície Litorânea e Serra do Mar, tendem a ser mais volumosas. Apesar disso, o evento pluviométrico atípico que deflagrou diversos escorregamentos na área de estudo em março de 2011 mostrou-se uma exceção à essa característica, sendo possível verificar que o pluviógrafo Itararé localizado na Serra do Mar, registrou as maiores precipitações seguido do de Rio Claro localizado mais ao norte da mesma formação. Verificou-se ainda que o pluviógrafo Vossoroca, localizado na transição entre o Primeiro Planalto e a Serra do Mar, tende a registrar menores volumes de chuva, estando normalmente abaixo das historicamente registradas pelas outras estações (Figura 2).

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Janeiro Fevereiro Março Abril Maio Junho Julho Agosto Setembro Outubro NovembroDezembro

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Garuva Vossoroca Itararé Rio Claro Figura 2. Comparativo da chuva acumulada mensal, em milímetro, entre os anos de 2007 a 2014

3.2. Planejamento e instalação de uma rede de pluviógrafos

Perante as incertezas associadas aos métodos indiretos de quantificação de chuva e a variabilidade espacial das chuvas na área de estudo que está fortemente associada a topografia, a implantação de uma rede de pluviógrafos próxima a área de interesse se mostrou indispensável para a futura compreensão da relação entre a pluviometria e movimentos de terra dos taludes rodoviários da área de interesse.

Com relação ao tipo de equipamento instalado, buscou-se um sistema com leituras e transmissão dos dados de modo automatizado e que representasse os eventos pluviométricos da maneira mais detalhada possível. A escolha do modelo de pluviógrafo, de caçamba basculante, assim como o datalogger responsável por armazenar e transmitir as leituras baseou-se em experiências anteriores bem sucedidas com esses modelos (e.g. COSTA et al. (2008), KUCHLER (2010), D’ORSI (2011) e SESTREM (2012)).

Seguindo as recomendações de Alves (2004) e Dulnik (2006) para a instalação dos instrumentos, manteve-se uma distância horizontal de no mínimo duas vezes a altura de quaisquer obstáculos bem como evitou-se interferências, dada por árvores ou edificações, em um raio de no mínimo 5 metros. Foi também evitado o posicionamento dos instrumentos em locais completamente abertos pois, correntes fortes de vento podem alterar sensivelmente a precisão das medidas.

Embora seja notória a variabilidade da distribuição pluviométrica principalmente durante evento de chuvas intensas, buscou-se com 06 pluviógrafos representar as chuvas de toda área de interesse (36 quilômetros de rodovia). Para tal a instrumentação foi densificada na região da Serra do Mar (P01, P06, P02, P03) e instalando 01 equipamento na transição para o Primeiro Planalto (P05) e 01 equipamento na transição para Planície Litorânea. A instalação desses equipamentos foi realizada em duas fases, sendo a primeira no período entre 27 de fevereiro e 12 de março de 2014 com a instalação de 04 pluviógrafos e a segunda em 09 de setembro de 2014 quando foram instalados 02 equipamentos. O posicionamento dos mesmos em planta pode ser observado na Figura 3.

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Figura 3 - Mapa de locação dos pluviógrafos

3.3 Série histórica de chuva

A Figura 6 apresenta os volumes de precipitação acumulados em 24 horas durante todo o período de operação de cada instrumento. De modo a aprofundar o entendimento da dinâmica pluviométrica da região foram analisados ainda os dados pluviométricos registrados pela estação denominada Itararé, que é operada pela Transpetro instalada próxima ao km 670. A Figura 4 apresenta toda a série histórica deste instrumento.

As áreas em cinza identificadas nos instrumentos são períodos nos quais os instrumentos ficaram inoperantes devido a problemas técnicos.

A Figura 5 apresenta um comparativo dos volumes de precipitação acumulados mensais de todos os pluviógrafos.

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Figura 4 - Precipitação diária acumulada registrada no pluviógrafo Itararé

Figura 5 - Precipitação mensal acumulada nos 06 pluviógrafos.

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Figura 6 - Precipitação diária acumulada registrada nos 06 pluviógrafos.

4. RESULTADOS E CONCLUSÕES

Independente do fim, a interpretação e análise de dados de chuva envolvem uma série de etapas que vão desde o planejamento e definição dos instrumentos até o processamento e

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interpretação/análise das leituras obtidas. A tecnologia vem se mostrando uma aliada na compreensão das dinâmicas pluviométricas seja por meio de sistemas indiretos de medição de chuva como por exemplo os radares e satélites ou pela automatização de sistemas registro, armazenamento e transmissão de dados de chuva. Entretanto, no que diz respeito aos pluviógrafos, apesar de automatizados devem ser submetidos à manutenção e calibração constante pois, diversos fatores podem influenciar a qualidade dos resultados, tais como, entupimento do sistema de captação da chuva, desnivelamento do sistema, travamento da báscula, descalibração do logger entre outros.

Quanto às imagens de satélite, verificou-se que apesar de apresentar fraca correlação com dados provenientes de pluviográfos, são eficientes na observação da distribuição espacial da precipitação, dessa forma, as imagens podem contribuir para uma melhor delimitação da região na qual os dados pontuais obtidos por meio de um pluviógrafo poderão ser extrapolados. Quanto aos dados quantitativos de precipitação, os erros na captação de informações pelo satélite e os inseridos nos métodos de estimativa de precipitação, comprometem a confiabilidade dos dados e invalidam a utilização de apenas este instrumento para a determinação da estimativa de precipitação.

Com relação a série histórica de chuva avaliada, pode-se notar que o período compreendido entre os meses de dezembro a abril corresponde às maiores concentrações de chuva da região.

Corroborando com as conclusões de Da Silva et al. (2012) que em seu estudo sobre as chuvas na Serra do Mar paranaense concluiu que a serra constitui uma barreira orográfica entre o Primeiro Planalto e a Planície Litorânea, a análise dos dados permitiu caracterizar a ocorrência de eventos pluviométricos do tipo convectivo e orográfico. Tal característica orográfica pode ser exemplificada pelo registro do dia 18 de dezembro de 2014, quando o volume diário total no pluviógrafo P4, instalado na transição entre a Serra do Mar e Planície Litorânea, foi de 79 mm, sendo 68 mm provenientes de um evento com duração de apenas 3 horas (entre 19h45 e 22h45). O evento não foi registrado nos demais pluviógrafos instalados na Serra do Mar ou na transição para o Primeiro Planalto. Já no dia 22 de dezembro de 2014, um novo evento provavelmente do tipo conectivo com maior volume (na ordem de 60 mm) foi verificado, dessa vez em todos os instrumentos. Foi possível verificar ainda que para pequenos volumes de chuva, característica das chuvas frontais, todos os pluviógrafos tendem a apresentar medidas muito próximas. Em contrapartida, quando o volume diário é superior a 20 mm diários, os equipamentos começam a apresentar maiores diferenças entre as leituras. Tais características reiteram a importância de se avaliar o volume precipitado ao longo de diferentes topografias em regiões de Serra do Mar, tendo-se em vista tanto a complexidade inerente ao regime pluviométrico local.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à ANTT – Agência Nacional de Transportes Terrestres e à Autopista Litoral Sul - Grupo Arteris, pelo apoio à pesquisa e viabilização deste estudo.

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