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São Paulo, UNESP, Geociências, v. 27, n. 4, p. 509-516, 2008 509

INDICADORES REGIONAIS APLICÁVEIS À AVALIAÇÃODO REGIME DE VAZÃO DOS CURSOS D’ÁGUADA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO ITABAPOANA

José Antônio Tosta dos REIS, Marília Alves GUIMARÃES,Aurélio Azevedo BARRETO NETO, Jacqueline BRINGHENTI

Coordenadoria de Saneamento Ambiental do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Espírito Santo.Avenida Vitória, 1729 – Jucutuquara. CEP 29.040-333. Vitória, ES. Endereços eletrônicos: [email protected];

[email protected]; [email protected]; [email protected]

IntroduçãoÁrea de EstudoMateriais e Métodos

Informações HidrológicasIndicadores Regionais

Indicadores de Vazão Média a Vazão EspecíficaIndicadores Obtidos a Partir da Curva de Permanência (rcp95 e rcp50)Indicadores de Vazões MínimasIndicadores de Vazões Máximas (rmc e r100)

Resultados e DiscussãoConclusões e RecomendaçõesReferências Bibliográficas

RESUMO – No Brasil, em virtude das deficiências da rede hidrométrica em funcionamento, a regionalização hidrológica tem sidorecorrentemente empregada para a avaliação do comportamento do regime de vazões em diferentes bacias hidrográficas. Um indicadorregional é um valor médio de uma variável ou uma proporção entre variáveis hidrológicas, comum para uma região hidrologicamentehomogênea. O presente estudo estabeleceu indicadores regionais aplicáveis à avaliação de vazões nos cursos d’água da bacia hidrográficado Rio Itabapoana, importante sistema hídrico para a porção sul do Estado do Espírito Santo. Os indicadores obtidos apresentaram-seconsistentes, produzindo erros percentuais entre valores reais e estimados de vazões similares a aqueles reportados na literatura técnicacorrente.Palavras-chave: Rio Itabapoana, indicador regional, regionalização hidrológica, vazão.

ABSTRACT – J.A.T. dos Reis, M.A. Guimarães, A.A. Barreto Neto, J. Bringhenti - Regional indicators suitable to the evaluation of flowsin streams of the Itabapoana watershed. In Brazil, there are few and deficient streamflow gauging stations in operation, the hydrologicregionalization has been employed for the evaluation of the behavior of flows in watersheds. A regional indicator is an average valuevariable or a proportion among hydrologic variables common for a hydrologically homogeneous region. This work established regionalindicators suitable to the evaluation of flows in streams of the Itabapoana watershed that is an important hydrologic system for the Southof Espírito Santo State. The obtained indicators were representative, producing percentile mistakes between real and calculated flowvalues similar for those presented in the technical literature.Keywords: Itabopoana river, hydrologic regionalization, regional indicator, flow stream.

INTRODUÇÃO

Conhecer adequadamente o comportamento dosprocessos hidrológicos constitui um dos maioresdesafios em Hidrologia. O entendimento qualitativo dasdiferentes fases do ciclo hidrológico normalmente nãopermite o gerenciamento dos recursos hídricos dentrode bases ambientalmente sustentáveis, sendo comuma etapa de quantificação.

A quantificação dos processos hidrológicos depen-de da observação de variáveis que têm comportamentoespacial e temporal aleatório e cuja estimativa dependede amostras confiáveis e representativas. O melhorentendimento do comportamento aleatório de uma ou

mais variáveis que representam um sistema hídricodepende, em última análise, das informações observadaslocalmente neste sistema.

No entanto, a inexistência de amostras sufi-cientemente longas para as variáveis hidrológicasestabelece um limite ao grau de sofisticação da análiselocal destas variáveis. Em função disso, a variável espaçoganhou força frente à variável tempo, estabelecendo aanálise regional de um conjunto de informaçõeshidrológicas, apropriadas em locais diferentes, comoalternativa para compensar as amostras locais detamanho relativamente curto (Naghettini & Pinto, 2007).


Neste contexto surge a regionalização hidrológica,técnica de análise que permite a transferência espacialde informações dentro de uma área de comportamentohidrológico semelhante. Os estudos de González &Valdéz (2008), Timilsena & Piechota (2008), Santhi etal. (2008), Dinpashoha et al. (2004), Durrans & Kirby(2004), Coser (2003), Baena (2002) e Euclydes et al.(2001) constituem exemplos da aplicação da técnicade regionalização para a descrição do comportamentode diferentes fases do ciclo hidrológico.

A técnica de regionalização pode ser aplicada paravariáveis ou funções hidrológicas. A regionalização deuma função hidrológica ocorre quando a referida funçãopode ser reconstruída a partir das informações fisio-gráficas ou climatológicas pontualmente disponíveis.De maneira similar, uma variável hidrológica estáregionalizada quando seu valor pode ser estimado apartir das informações pontualmente disponíveis.

Como alternativa para a regionalização devariáveis hidrológicas apresentam-se os indicadores

regionais. Um indicador regional é um valor médio deuma variável hidrológica (ou uma proporção entrevariáveis hidrológicas) característico de uma região comcomportamento homogêneo.

Dentre os diferentes indicadores regionaisempregados para avaliação de vazões em regiõesconsideradas hidrologicamente homogêneas, a vazãoespecífica tem sido o indicador mais recorrentementeutilizado (Agra et al., 2005; Pruski et al., 2004). Emboraalguns trabalhos ilustrem o emprego dos diversosindicadores regionais disponíveis para a avaliação doregime de vazão (Tucci, 2002; Clarke & Tucci, 2003),não é recorrente a apropriação de indicadores regionaispara avaliação de vazões mínimas, médias e máximasnuma mesma bacia hidrográfica.

O presente estudo tem por finalidade estabelecerindicadores regionais aplicáveis à avaliação do regimede vazões nos cursos d’água da bacia hidrográfica doRio Itabapoana, importante sistema hídrico da porçãosul do Estado do Espírito Santo.

MATERIAIS E MÉTODOS

A área de estudo desta pesquisa foi a baciahidrográfica do Rio Itabapoana, região limitada pelasBacias do Rio Paraíba do Sul (ao sul), do Rio Itapemirim(ao norte), do Rio Doce (a oeste) e pelo OceanoAtlântico (a leste). Ocupa uma área de 4.875,46 km2,distribuída entre os estados do Espírito Santo, MinasGerais e Rio de Janeiro. Abrange 18 municípios e apopulação que vive diretamente ligada à bacia estáestimada em aproximadamente 248.000 habitantes.

Na economia da bacia do Rio Itabapoana predo-minam serviços urbanos e os serviços do setor primário,principalmente aqueles vinculados à pecuária, café,

ÁREA DE ESTUDO

cana-de-açúcar, e fruticultura tropical.Na região, a atividade agropecuária exerce

considerável pressão sobre os recursos hídricos,impondo a necessidade de adequada quantificação dasvazões de estiagem. Por outro lado, os eventuaisepisódios de cheias têm produzido consideráveisprejuízos econômicos em função da ocupaçãoinadequada das margens de alguns cursos d’água dabacia. Neste caso, como acontece na maior parte doTerritório Nacional, a ocupação ocorreu sem a ade-quada avaliação das cotas de inundação associadas àepisódios de cheias.

INFORMAÇÕES HIDROLÓGICAS

As informações fluviométricas e fisiográficasnecessárias ao desenvolvimento deste estudo foramobtidas a partir da base de dados da Agência Nacionalde Águas – ANA. Para o estabelecimento dos indica-dores regionais de vazões foram consideradas estaçõesfluviométricas em operação, com registros consistidose com séries históricas superiores a 30 anos de registrosdiários.

As estações fluviométricas selecionadas segundoestes critérios estão apresentadas na Tabela 1. Estatabela apresenta, adicionalmente as coordenadasgeográficas, altitude, área de drenagem e extensão dasérie histórica de cada estação analisada.

Para manipulação dos registros de vazão foiutilizado o programa computacional HIDRO (ANA,2002), programa de domínio público produzido edisponibilizado pela ANA.

INDICADORES REGIONAIS

Foram estabelecidos indicadores aplicáveis àapropriação de vazões médias, vazões mínimas, vazõesmáximas e de vazões características da curva depermanência. Uma breve descrição dos indicadores éapresentada nos parágrafos subseqüentes. Discussõesmais detalhadas acerca de indicadores regionais devazão podem ser encontradas em trabalhos como Tucci(2002) e Clarke & Tucci (2003).


TABELA 1. Postos fluviométricos instalados na porção capixaba da bacia hidrográfica do Rio Itabapoana.

Indicador de Vazão Média – a Vazão Específica

Segundo Tucci (2002), a vazão específica –relação entre a vazão média de longo período e áreade drenagem da bacia hidrográfica –, usualmente seexpressa como um indicador estável, sendo aproxi-madamente constante para grupos de estações fluvio-métricas que não apresentem grande variação de área.Para grupos de bacias que apresentam áreas dedrenagem muito diferentes, a relação entre vazão médiae área pode deixar de ser linear, função dos diferentesfatores que podem influenciar no balanço hídricos deuma bacia.

AQ

q m= (01)

Na expressão anterior, a vazão média de longoperíodo (Qm) é expressa em L/s e a área de drenagem(A) em km2.

Indicadores Obtidos a Partir da Curva dePermanência (Rcp95 E Rcp50)

Dois diferentes indicadores regionais foramapropriados a partir da curva de permanência: o rcp95e o rcp50. Estes indicadores foram estimados a partirdas seguintes expressões:

m

9595 Q

Qrcp = (02)

m

5050 Q

Qrcp = (03)

Nas duas últimas expressões Q95 e Q50 repre-sentam, respectivamente, as vazões com 95% e 50%de permanência na seção fluviométrica estudada. Avazão Q95 é um valor característico do comportamentode uma bacia hidrográfica em períodos de estiagem. Avazão de 50% da curva de permanência, por sua vez,é um valor característico associado com as condiçõesmédias de escoamento do curso d’água.

Indicadores De Vazões Mínimas

Dois indicadores foram utilizados para a avaliaçãodas vazões mínimas em cursos d’água: o r7,10 e o rm. Aapropriação desses indicadores envolveu as seguintesexpressões:

m

10,710,7 Q

Qr = (04)

10,7

95m Q

Qr = (05)

sendo Q7,10 vazão mínima média com 7 dias de duraçãoe período de retorno de 10 anos.

O indicador r7,10 estabelece uma proporção entrea vazão média e uma vazão mínima característica,permitindo avaliar a vazão mínima a partir da médiahistórica de vazões na seção fluviométrica considerada.O indicador rm, por sua vez, permite identificar a relaçãoentre as duas vazões usualmente empregadas paracaracterizar o regime de recessão de um curso d’água(Q7,10 e Q95). A vazão Q95 caracteriza uma situação depermanência de um estado recessivo de vazões; avazão Q7,10, por sua vez, indica uma situação de estadomínimo. Adicionalmente, é relevante registrar que avazão Q7,10 é assumida como vazão de referência paraa outorga do uso da água em cursos d’água perenesdo estado do Espírito Santo.

Para a apropriação das vazões Q7,10 foram empre-gadas as distribuições de probabilidade Lognormal tipoII, Lognormal tipo III, Pearson tipo III, Logpearsontipo III e Weibull. Para avaliação do ajuste dasdiferentes de distribuições testadas foram utilizados oteste de Kolmogorov-Smirnov (teste K-S) e o teste doQui-quadrado. Uma detalhada apresentação dasdiferentes distribuições de probabilidade utilizadasneste estudo, bem como dos testes de Kolmogorov-Smirnov do Qui-quadrado, é apresentada porAbramowitz & Stegun (1974), Assis et al. (1996) eNaghettini & Pinto (2007).


Indicadores de Vazões Máximas (Rmc E R100)

A vazão associada a um período de retorno daordem de dois anos indica a vazão média de enchenteQmc, cujo valor corresponde aproximadamente à cotalimite do leito menor de rios aluvionares. O indicadorrmc, que relaciona a referida vazão média de enchentee a vazão média de longo período, foi apropriado a partirda seguinte relação:

m

mcmc Q

Qr = (06)

Esse indicador permite estimar a amplitude dasenchentes com relação às condições médias de um rio.

A vazão Q100, que corresponde ao valor de vazãoassociado ao período de retorno de 100 anos, geral-mente representa o limite superior da faixa de inundaçãoribeirinha. Relacionando-se essa vazão com a vazãomédia de longo período através de um indicador,relaciona-se a capacidade de escoamento do leitomenor do rio e a capacidade do leito limite de inundaçãodo vale. Desta forma, o indicador aplicável a estasituação foi estimado a partir da seguinte expressão:

mc

100100 Q

Qr = (07)

As vazões máximas associadas aos períodos deretorno de 2 e 100 anos foram avaliadas com auxíliodas distribuições probabilísticas de Gumbel, Lognormaltipo II, Lognormal tipo III, Pearson tipo III e Logpearsontipo III. Assim como estabelecido quando da estimativada vazão Q7,10, a avaliação do ajuste das diferentes dedistribuições testadas envolveu o teste de Kolmogorov-

Smirnov (teste K-S) e o teste do Qui-quadrado.Para a avaliação das vazões máximas e mínimas

a partir do ajuste de distribuições de probabilidade, bemcomo para a realização dos testes de aderência, foiutilizado o programa computacional SISCAH (GPRH,2008), programa de domínio público produzido edisponibilizado pelo Grupo de Pesquisa em RecursosHídricos, grupo vinculado ao Departamento de Enge-nharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa.

Uma medida de dispersão relativa – o coeficientede variação – foi empregada para avaliar a represen-tatividade dos diferentes indicadores de vazão apro-priados para a bacia do Rio Itabapoana. O coeficientede Variação (CV), usualmente expresso em percen-tagem, foi avaliado pela seguinte expressão:

irSCV = (08)

sendo ri o valor médio de cada indicador para a baciado Rio Itabapoana e S o desvio padrão associado acada indicador.

Os valores reais das diferentes vazões de referên-cia foram confrontados com os valores de vazãoestimados a partir dos indicadores regionais estabe-lecidos. Para cada vazão de referência estudada foiavaliado o erro médio a partir da seguinte expressão:

( ) ( ) 100.Q

QQ%erroreal

realestimada −= (09)

sendo Qestimada a vazão de referência (mínima, médiaou máxima) estimada com a aplicação do indicadorregional de vazão e Qreal a vazão de referência estimadaa partir dos registros fluviométricos.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os indicadores regionais de vazão estabelecidospara a bacia do Rio Itabapoana estão reunidos naTabela 2. Os valores de vazões reais e estimadas apartir da aplicação dos indicadores regionais encontram-se apresentados na Tabela 3. A Tabela 4 reúne, paracada estação fluviométrica, os erros percentuais entreos valores de vazões reais e estimadas para cada umadas vazões de referência estudadas.

As Figuras 1 a 3 ilustram graficamente asrespostas produzidas a partir da aplicação de diferentesindicadores apropriados para a bacia do Rio Itabapoana.A Figura 1 permite a confrontação entre os valoresreais e estimados de vazões médias de longo períodopara cada uma das estações fluviométricas estudadas.A Figura 2 reúne os valores reais e estimados de vazõesmáximas associadas ao período de retorno de 100 anos.A Figura 3 apresenta a confrontação entre os valores

reais e estimados das vazões Q7,10. Gráficos seme-lhantes foram produzidos para todas as demais vazõesde referência estudadas.

Da avaliação das respostas produzidas com aaplicação dos diferentes indicadores regionais de vazãoestabelecidos, apresentaram-se como relevantes asseguintes considerações:• A aplicação do indicador vazão específica produziu,

para os postos fluviométricos estudados, consi-derável aproximação entre os valores de vazõesreais e estimadas. Os desvios produzidos com aaplicação dos valores de vazão média não ultra-passaram 34%, resultado considerado satisfatóriosegundo a literatura técnica corrente;

• Indicador rcp50 apresentou valores consistentespara os postos fluviométricos da bacia hidrográficado Rio Itabapoana, com pequena flutuação dos


TABELA 2. Indicadores regionais apropriados para a bacia hidrográfica do Rio Itabapoana.

TABELA 4. Erros percentuais entre valores de vazões reais e estimadas a partir da aplicação dos indicadores regionais.

TABELA 3. Valores reais e valores estimados a partir dos indicadores regionais das vazões mínimas, médias e máximas.


FIGURA 2. Valores reais e valores estimados de vazão máxima associada ao período de retorno de 100 anos.

FIGURA 1. Valores reais e valores estimados de vazão média de longo período.

FIGURA 3. Valores reais e valores estimados de vazão Q7,10.


valores individuais em relação à média da bacia(coeficiente de variação de apenas 6%). O rcp95apresentou comportamento aposto, com conside-rável flutuação dos valores individuais em relaçãoà média apropriada para a bacia (para um rcp95médio de 0,23 apropriou-se um coeficiente devariação superior a 50%). Este padrão de compor-tamento reproduz aquele observado em outrostrabalhos técnicos (Tucci, 2002; Clarke & Tucci,2003) que apontam os indicadores associados àsvazões médias como sendo os indicadores queapresentam as menores variações dentro de umaregião hidrologicamente homogênea. Desta forma,as diferenças percentuais entre os valores reais eestimados da vazão Q50 foram pouco significativas,com valores variando entre 1% (posto fluviométricode São José dos Calçados) e 13% (posto fluviomé-trico de Dores do Rio Preto). No entanto, os errospercentuais apropriados para vazão com 95% depermanência foram consideravelmente maiores,variando de -22% (posto fluviométrico de SantaCruz) a 110% (posto fluviométrico de Dores doRio Preto);

• Indicador r7,10 apresentou flutuação significativana bacia hidrográfica do Rio Itabapoana; para umvalor médio de 0,19, o coeficiente de variação

associado ao r7,10 foi de aproximadamente 40%.Por sua vez, o indicador rm apresentou menorflutuação, com coeficiente de variação inferior a20%. Desta forma, o erro percentual entre osvalores reais e estimados da vazão Q7,10 foi tambémelevado, alcançando 67% na estação de Dores doRio Preto). É importante registrar que a aplicaçãodos indicadores de vazão mínima produziu osmaiores erros nas bacias com menores áreas dedrenagem (São José do Calçado e Dores do RioPreto);

• A flutuação dos valores individuais do indicadorrmc em relação ao valor médio apropriado para abacia foi substancialmente maior que a flutuaçãoobservada para os valores individuais do indicadorr100. Para um rmc médio de 5,96 avaliou-se umcoeficiente de variação de 23%. Já para o indicadorr100, que apresentou valor médio de 2,46, estimou-se um coeficiente de variação de aproxima-damente 9%. Na estimativa da vazão máximaassociada ao período de 2 anos, o erro percentualoscilou entre -27% (estação de São José dosCalçados) e 37% (estação de Santa Cruz). Errossubstancialmente menores foram registradosquando da apropriação de vazão máxima associadaao período de retorno de 100 anos.

CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

A partir da definição de indicadores de vazão queapresentem respostas consistentes para uma deter-minada região hidrologicamente homogênea, aslimitações relacionadas com as curtas extensões dasséries históricas ou com a baixa densidade de postosfluviométricas são atenuadas. Este estudo buscouestabelecer indicadores regionais que permitissem adescrição do regime de vazões da bacia hidrográficado Rio Itabapoana, sistema hídrico do sul do estado doEspírito Santo que apresenta características comuns amaior parte das bacia hidrográficas brasileiras (monito-ramento hidrológico deficiente, aumento da pressãosobre os recursos hídricos superficiais e prejuízosrecorrentes com eventos hidrológicos extremos).

Os resultados obtidos a partir da quantificação eaplicação de indicadores regionais de vazão estabe-lecidos conduziram as seguintes conclusões:• Os indicadores associados à apropriação das vazões

médias (vazão específica e rcp50) apresentaram-seconsistentes, produzindo pequenos desvios entre osvalores reais das vazões de referência (vazão médiae vazão com permanência de 50%) e os valoresestimados a partir da aplicação dos indicadores;

• Os indicadores de vazões máximas (rmc e r100)apresentaram-se eficientes para avaliação preli-minar das vazões associadas aos períodos deretorno de 2 e 100 anos, produzindo erros percen-tuais entre valores reais e estimados de vazãosimilares àqueles habitualmente encontrada naliteratura técnica associada aos estudos de regiona-lização hidrológica de vazões;

• Os indicadores de vazões mínimas (rcp95, rm er7,10) apresentaram erros percentuais significa-tivos quando da confrontação dos valores reais edos valores estimados de vazão, em muitas situa-ções superando o valor de 40%. Adicionalmente,observou-se que os maiores erros percentuaisforam registrados nas bacias com menores áreasde drenagem. Desta forma, não se recomenda aavaliação de vazões de estiagem a partir daaplicação dos indicadores de vazão aqui estabe-lecidos em pequenas bacias hidrográficas e nasproximidades daquelas estações fluviométricasnas quais os erros percentuais produzidos com aaplicação dos indicadores regionais foram maisexpressivos.


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Manuscrito Recebido em: 1 de junho de 2008Revisado e Aceito em: 2 de fevereiro de 2009

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