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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-AreaVolume.
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
1
* 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: [email protected]
2
Pesquisador do Núcleo de Hidrometria, NH-CRHEA-EESC-USP: [email protected]
3
Professor Associado do Departamento de Hidráulica e Saneamento, EESC-USP e PI do Núcleo de Hidrometria, NH-CRHEA-EESC-USP:
[email protected]
XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos
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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),
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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.
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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
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reservatório e a profundidade do transdutor do ecobatímetro, sendo estes compensados no pósprocessamento.
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
regiões rasas que inexistem, há também a formação de superfícies planas de cota correspondente a
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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.
2.
3.
4.
Extrair o contorno da batimetria (pontos extremos) e gerar um polígono
Gerar um TIN utilizando somente os dados da batimetria do reservatório
Gerar um Raster com o TIN obtido na segunda etapa
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)
602,0
14,32
600,0
9,48
599,0
7,54
598,0
5,81
597,0
4,28
596,0
3,02
595,0
2,10
594,0
1,43
593,0
0,89
Área (ha)
252,11
235,62
181,21
167,60
141,75
109,29
78,52
60,98
47,74
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Cota (m) Volume (10-6 m³)
592,0
0,50
591,0
0,25
590,0
0,10
589,0
0,04
588,0
0,01
587,0
0,00
586,0
0,00
585,0
0,00
584,0
0,00
Área (ha)
32,20
19,46
9,62
4,22
1,43
0,46
0,16
0,01
6
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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