relatório técnico – projeto cisa universidade federal da paraíba

RELATÓRIO TÉCNICO – PROJETO CISA
UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA
Estudante: Romildo Toscano de Brito Neto (UFPB)
Coordenador ICASALS: Prof. Aderbal C. Correa (TTU)
Coordenador UFPB: Prof. Celso Augusto G. Santos (UFPB)
Coordenador Geral do Projeto: Prof. Jaime Joaquim Pereira Cabral (UFPE)
Março de 2011
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APRESENTAÇÃO
O presente relatório descreve as atividades realizadas pelo estudante de
Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal da Paraíba (UFPB),
Romildo Toscano de Brito Neto, entre 17 de janeiro de 2011 e 17 de março de 2011,
no Internacional Center for Arid and Semiarid Land Studies (ICASALS) e no Center
for Geospatial Technology (CGST) ambos na Texas Tech University (TTU) em
Lubbock, Texas.
Essas atividades farão parte do desenvolvimento da dissertação de mestrado do
aluno no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Urbana e Ambiental
(PPGEUA) da UFPB, que terá início em abril de 2011. A pesquisa teve o
acompanhamento acadêmico do Prof. Dr. Kevin Mulligan, diretor do CGST, e Dr.
Aberbal C. Correa, diretor do ICASALS, da TTU. O acompanhamento foi realizado
através de reuniões semanais realizadas para avaliar o planejamento das atividades
e discussão dos resultados.
Esta ação está inserida no projeto intitulado “Cooperação Internacional do SemiÁrido (CISA)”, na sua Meta 2 “Treinamento, capacitação e formação de recursos
humanos na gestão dos recursos hídricos de regiões semi-áridas” e na sua Meta 3
“Desenvolvimento e implementação de instrumentos da gestão dos recursos hídricos
de regiões semi-áridas”.
O projeto CISA, financiado pelo Ministério da Ciência e Tecnologia (instrumento
contratual FINEP nº 01.07.0049.00), é coordenado pelo Prof. Jaime Joaquim Pereira
Cabral, do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de
Pernambuco.
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 4
2. ÁREA DE ESTUDO ............................................................................................... 5
2.1. CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DO TEXAS ......................................................... 5
3. COLETA DE DADOS ............................................................................................. 6
3.1 BASE DO AQUÍFERO ....................................................................................... 6
3.2 NIVEL DE ÁGUA DO AQUIFERO ..................................................................... 6
4. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ............................................................... 7
4.1 KRIGAGEM ....................................................................................................... 7
4.2 GERAÇÃO DE RESULTADOS ....................................................................... 11
5. ANÁLISE DOS RESULTADOS ........................................................................... 12
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................................. 19
BIBLIOGRAFIA CONSULTADA.............................................................................. 21
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Aquíferos no Texas .................................................................................... 5
Figura 2 - Transformações em histogramas ............................................................... 7
Figura 3 - Poligonos de Thiessen utilizados para localizar outliers ............................ 8
Figura 4 - Curvas de tendências globais .................................................................... 8
Figura 5 - Definindo direção e distância entre os pares de amostras ......................... 9
Figura 6 - Semivariograma ....................................................................................... 10
Figura 7 - Intervalo e orientação do raio de busca para a escolha da vizinhança .... 10
Figura 8 - Comparação entre Spline e Krigagem ..................................................... 12
Figura 9 - Passos para determinar a espessura da camada saturada do aquífero .. 13
Figura 10 - Filtragem da camada saturada do Aquífero ........................................... 14
Figura 11 - Variação da camada saturada do Aquífero em Parmer - TX .................. 14
Figura 12 - Variação anual do volume na camada saturada do Aquífero ................. 15
Figura 13 - Correlação entre Krigagem e Spline por condado.................................. 16
Figura 14 - Variação anual do volume da camada saturada em Hansford ............... 16
Figura 15 - Variação anual do volume da camada saturada em Lubbock ................ 17
Figura 16 - Superfícies que indicam volume da camada saturada em Lubbock ...... 17
Figura 17- Tempo de vida útil do aquífero a partir de 2008 ...................................... 18
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1. INTRODUÇÃO
Regiões semiáridas são castigadas pela insuficiência e irregularidade de
precipitações, e por ventos quentes e secos, estimuladores de evaporação,
apresentando condições favoráveis à decorrência do processo de desertificação.
Devido a esses fatores, a falta água passa a ser um entrave para o desenvolvimento
dessas regiões. Soluções que visam mitigar esse problema devem considerar a
variabilidade hidrológica tanto no curto quanto no longo prazo.
A região estudada, norte do Texas, possui problemas que diferem dos
encontrados na região semiárida do Nordeste brasileiro. Apesar de não existirem
rios perenes volumosos, a agricultura irrigada é uma prática comum, pois o aquífero
local (Ogallala) possui água suficiente e de qualidade para isto, sendo a principal
fonte hídrica da região.
As leis que regem o uso dos recursos hídricos do aquífero Ogallala diferem de
Estado para Estado. O uso da água subterrânea é, em geral, outorgado sem
restrições de vazão para o proprietário do terreno no qual a fonte hídrica se
encontra. Porém, esta política pode tornar o volume da explotação maior que o de
recarga, trazendo consequências danosas em longo prazo.
Diante dos pressupostos, esta pesquisa visa mensurar o volume do aquífero
através de sua camada saturada, além de projetar seu tempo de vida útil a partir de
operações matemáticas entre dados matriciais. Para isso, é necessário criar
superfícies que definam o nível de água e a base do aquífero.
Portanto, a proposta é criar superfícies que representem o nível de água no
aquífero a partir dos dados dos poços, utilizando a Krigagem Ordinária e gerar os
resultados supracitados. Posteriormente comparar com o método desenvolvido pelo
CGST, que interpolou os dados por Spline.
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2. ÁREA DE ESTUDO
2.1. CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DO TEXAS
O Estado do Texas possui aproximadamente 700 mil quilômetros quadrados,
que corresponde a uma área maior que a dos Estados de Pernambuco e Bahia
juntos.
O Texas é o segundo maior Estado dos Estados Unidos da América e
também o mais populoso. Esse fato colabora para que o Texas tenha diferentes
características naturais em seu território. No extremo sul o clima é tropical, já no
noroeste o clima é árido.
O aquífero Ogallala (Figura 1 abaixo) possui cerca de 450 mil quilômetros
quadrados e está localizado em oito Estados norte americanos, entre eles o Texas.
A área do aquífero que intersecta o Texas foi escolhida como área de estudo por ser
objeto de estudo do CGST e, consequentemente, haver dados disponíveis e
resultados obtidos para comparação.
Figura 1 - Aquíferos no Texas
Fonte: http://www.twdb.state.tx.us
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3. COLETA DE DADOS
3.1 BASE DO AQUÍFERO
A base do aquífero foi modelada pela equipe do CGST e é considerado um
dado extremamente valioso, porém não existem relatórios disponíveis a comunidade
que descrevam a metodologia para a criação dessa superfície, tampouco existe a
disponibilização desse dado para uso fora do centro. Sabe-se apenas que ela foi
criada a partir de dados de poços e da digitalização de curvas de nível da base do
aquífero, ambos disponibilizados pelo Texas Water Development Board (TWDB).
3.2 NIVEL DE ÁGUA DO AQUÍFERO
Para criar superfícies que representem o nível de água do aquífero, foram
utilizados dados do nível dos poços locados no aquífero Ogallala. Eles são
registrados e monitorados pelos perfuradores e essas informações são enviadas ao
órgão gestor de águas do Texas, o TWBD, que disponibiliza os dados em sua
pagina na web.
Após o download dos dados do TWDB, houve uma filtragem para selecionar
apenas os dados contidos no aquífero dos meses sem bombeamento, separá-los
por ano e descartar os não permitidos para publicação. Para criar uma tabela com
as coordenadas espaciais e os dados de nível da água, foi feita uma junção tabular
a partir do código do poço. Desse modo, foram selecionados os poços contidos na
área em estudo e próximos ao seu contorno entre os anos de 1999 a 2008. Assim,
foi possível o uso do software de Sistemas de Informações Geográficas (SIG) para
realizar os procedimentos de interpolação e análise espacial.
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4. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
4.1 KRIGAGEM
A técnica aplicada para interpolar os dados do aquífero foi a Krigagem
Ordinária. Este método geoestatístico é baseado no princípio da autocorrelação
espacial, ou seja, considera o grau de dependência entre vizinhos próximos e
distantes.
A vantagem de usar esta técnica é que suas superfícies tendem a ser mais
suaves que as criadas por métodos determinísticos, como o Spline. Uma
característica importante desse método é a possibilidade de analisar o erro entre a
superfície e os pontos que foram utilizados para gerá-la.
A análise exploratória dos dados é uma etapa fundamental antes de iniciar a
Krigagem. O primeiro passo é analisar o histograma dos dados em estudo e definir
uma transformação de modo que sua distribuição tenda a se normalizar. A figura 2
abaixo apresenta histogramas com e sem transformação.
Figura 2 - Transformações em histogramas
O segundo passo da análise exploratória é procurar discrepâncias (outliers)
globais ou locais. Para facilitar essa busca, utilizam-se polígonos de Thiessen
classificando as amostras de acordo com: valores brutos, média, mediana, entropia,
cluster, desvio padrão etc. A figura 3, a seguir, mostra exemplos de mapas com
estas diferentes classificações.
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Figura 3 - Poligonos de Thiessen utilizados para localizar outliers
Outra etapa da análise exploratória é identificar tendências globais. A partir de
uma análise gráfica dos dados, é possível projetá-los em dois planos e visualizar as
curvas de tendência. Em análises geoestatísticas, é necessária a remoção dessas
curvas através da utilização de uma função polinomial de certo grau, construída de
tal forma que miniminize os desvios quadráticos em relação aos valores observados.
Figura 4 - Curvas de tendências globais
De posse dos resultados da análise exploratória, pode-se inferi-los na
configuração da Krigagem. A definição do semivariograma e a escolha da vizinhança
são as etapas mais sensíveis e importantes em interpolações geoestatísticas.
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O semivariograma é uma ferramenta que verifica a autocorrelação espacial
dos dados, ou seja, ele é utilizado para investigar a correlação entre pares de
amostras de acordo com a direção e distância a serem arbitrados. O
semivariograma clássico é estimado pela seguinte equação:
Onde:
γ(h) – Função semivariograma
N(h) – Número de pares das amostras
Z(ti + h ), Z(ti) – Valores do por de amostras separados por um vetor h
Durante o ajuste dos semivariograma, são definidas as direções do vetor h e
a distância entre as amostras (Lag size, Number of lags), como podem ser vistos na
figura 5 a seguir
Figura 5 - Definindo direção e distância entre os pares de amostras
A influência da direção no ajuste do semivariograma também é conhecida por
anisotropia, em praticamente todas as superfícies interpoladas ela foi considerada.
O lag size e o número de lags também têm um papel importante no ajuste, por
exemplo,
valores
autocorrelação,
muito
enquanto
altos
que
podem
valores
mascarar
muito
pequenas
baixos
podem
variações
causar
na
picos
inapropriados na superfície ou uma distância insuficiente entre pares de amostras, o
que resulta em um semivariograma sem valores plotados.
Por fim, modelos teóricos (representados por uma curva, por exemplo: Gauss,
exponencial, circular, esférica etc) são ajustados de acordo com o semivariograma.
Também são utilizados outros fatores para ajustar estes modelos, como o efeito
10
pepita (Nugget). A figura 6, a seguir, mostra um semivariograma ajustado e uma
curva esférica seguindo os pontos.
Figura 6 - Semivariograma
A última etapa de configuração da Krigagem é a escolha da vizinhança de um
ponto qualquer. O raio no qual os vizinhos serão procurados está diretamente
relacionado com o lag size e o número de lags, definidos anteriormente. Neste
momento, defini-se o intervalo e a orientação dos ângulos de busca (figura 7), além
dos limites de quantos vizinhos podem ser utilizados por intervalo.
Figura 7 - Intervalo e orientação do raio de busca para a escolha da vizinhança
A análise do resultado da Krigagem procede através da visualização de um
mapa temático que divide em classes a superfície criada e uma tabela com dados
estatísticos, validação cruzada. A tabela contém os dados calculados e observados,
erro, erro padrão etc. Caso a relação entre a superfície gerada e a validação
cruzada não atenda a perspectiva, devem-se repetir os procedimentos anteriores até
encontrar um ajuste satisfatório.
11
4.2 GERAÇÃO DE RESULTADOS
Foram criadas dez superfícies (1999 até 2008) por Krigagem que
representam o nível da água do aquífero Ogallala. Estes dados, junto com a base do
aquífero modelada pela equipe do CGST, foram utilizados para gerar uma série de
informações, como a espessura da camada saturada do aquífero, o volume total e o
volume de água disponível. Estes resultados também foram separados por condado.
Além disso, foram criadas superfícies que representam a variação anual de cada
resultado citado acima e tabelas com os valores numéricos calculados. Foi realizada
separadamente uma filtragem da espessura da camada saturada para suavizar mais
as curvas, melhorando o aspecto visual dos mapas. O fluxograma a seguir resume o
que foi descrito acima.
Devido à imensa quantidade de procedimentos repetitivos a serem
processados, foram criadas rotinas em Visual Basic pela equipe do CGST para
acelerar o processamento dos dados. A fim de utilizar os dados de nível da água do
aquífero gerados pela Krigagem, foram feitas apenas algumas modificações nos
scripts originais.
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5. ANÁLISE DOS RESULTADOS
Como dito anteriormente, a Krigagem tende a suavizar as superfícies criadas.
Já as superfícies criadas por Spline têm a característica de tocar todos os pontos
utilizados na interpolação, o que tende a ser um resultado mais acurado na
vizinhança próxima aos poços, porém ela gera muitos picos e buracos devido aos
outliers.
A
figura
8
apresenta
dois
mapas
temáticos
que
representam
respectivamente as superfícies criadas por Spline e Krigagem para o ano de 2001 e
seus respectivos perfis de terreno.
Figura 8 - Comparação entre Spline e Krigagem
Com posse de todos os resultados obtidos a partir da Krigagem, pode-se
avaliar a qualidade dos resultados através de uma auto-análise e da comparação
com os resultados obtidos a partir do Spline, realizados pela equipe do CGST.
A figura 9 ilustra a sequência de passos para determinar a espessura da
camada saturada do aquífero (Saturated Thickness), determinada a partir da
diferença entre a base do aquífero e o nível da água, definido por Spline e Krigagem.
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Figura 9 - Passos para determinar a espessura da camada saturada do aquífero
Fonte: Dados dos poços - Texas Water Development Board
Base do Aquífero - Center for Geospatial Technology
Para melhorar a visualização das curvas de nível dos mapas que
representam a espessura da camada saturada do aquífero, foi realizada uma
filtragem com 14 iterações, que tende a suavizar a superfície de entrada e reduzir a
significância de células anômalas,
A figura 10 mostra superfícies com a espessura da camada saturada do
aquífero no Condado de Dallam em 2002. Nestas figuras, é possível ver resultado
da filtragem em relação aos dados de entrada provenientes da Krigagem e Spline.
A partir destas superfícies também podem ser criados mapas que indicam
a variação da espessura da camada saturada do aquífero para intervalos temporais
quaisquer, e.g., a figura 11 mostra a variação entre os anos de 1999 e 2008 no
Condado de Parmer a partir de superfícies provenientes de Krigagem e Spline.
14
Figura 10 - Filtragem da camada saturada do Aquífero
Figura 11 - Variação da camada saturada do Aquífero em Parmer - TX
15
O que se destaca na Figura 11 acima é o enorme buraco que se vê no layer
que representa a variação da camada saturada do aquífero por Spline. Esta
inconsistência ocorre porque o Spline não analisa a correlação espacial, ele
simplesmente traça uma superfície que toca todos os pontos, ou seja, quando existe
um ponto de coleta que não pertence a um dos anos interpolados, o Spline tende a
deixar plana a parte da superfície onde a amostra não está presente.
Outro resultado produzido foi o volume da camada saturada do aquífero. Ele
foi calculado ao multiplicar os valores de cada pixel pela resolução espacial da
imagem (528t × 528 ft), obtendo-se o resultado em pés cúbicos. Ao dividi-lo por
43,56 ft²/acre, obtém-se o resultado em Acre Feet. Por fim, somando-se os valores
dos pixels de uma área qualquer é determinado o volume da camada saturada.
O gráfico a seguir (Figura 12) representa a variação anual (1999–2008) do
volume da camada saturada da porção do Aquífero Ogallala contida no Texas, a
partir de níveis de água calculados por Krigagem e Spline. O volume total médio
calculado por Spline foi 0,12% maior que o calculado por Krigagem.
Figura 12 - Variação anual do volume na camada saturada do Aquífero
Na Figura 13, foi utilizado como dado de entrada o volume da camada
saturada do aquífero, que foi discretizado por condado entre os anos de 1999 e
2008. Os pontos plotados indicam a correlação entre a Krigagem (Eixo Y) e Spline
(Eixo X). Além disso, os pontos abaixo da linha de tendência indicam que os valores
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provenientes do Spline são maiores que os da Krigagem, confirmando o que foi
constatado de forma generalizada na Figura 12.
Figura 13 - Correlação entre Krigagem e Spline por condado
Na maioria dos condados os volumes calculados e as superfícies criadas
foram relativamente próximos. No Condado de Hansford, por exemplo, o gráfico da
Figura 14 indica que a variação anual do volume da camada saturada calculado por
Spline foi 0,84% maior que o calculado por Krigagem.
Figura 14 - Variação anual do volume da camada saturada em Hansford
17
O Condado Lubbock, entretanto, foi uma das exceções. O gráfico da variação
anual do volume da camada saturada (Figura 15) indicou valores bem mais altos
para a Krigagem. O volume total médio calculado por Krigagem foi 1,83% maior que
por Spline. Ao analisar as superfícies geradas pelas interpolações (Figura 16),
percebe-se que a Krigagem gerou valores mais elevados na parte central e nordeste
do condado.
Figura 15 - Variação anual do volume da camada saturada em Lubbock
Figura 16 - Superfícies que indicam volume da camada saturada em Lubbock
18
Por fim, foi estimado o tempo de vida útil do aquífero a partir de 2008,
utilizando dados de Krigagem e Spline (Figura 17). O cálculo foi baseado na média
de cinco variações anuais distintas da espessura da camada saturada, criando-se
uma camada para representar a variação do nível do aquífero por ano. Assim foram
extrapolados os valores para anos futuros.
Figura 17- Tempo de vida útil do aquífero a partir de 2008
O que se percebe é uma pequena variação percentual entre as classes das
duas coberturas criadas. Apesar disso, em algumas áreas, como os extremos
superior e inferior das figuras, a distribuição das classes diverge bastante, o que
pode ser atribuído a má distribuição dos poços nestas áreas.
19
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os dois meses de pesquisa na TTU foram muito proveitosos, principalmente
no aspecto acadêmico. O plano de trabalho planejado para o intercâmbio foi
cumprido e novas idéias para pesquisas futuras surgiram e foram estudadas durante
a visita.
A pesquisa inicial visou aperfeiçoar a técnica da Krigagem, que foi
desenvolvida no Center for Geospatial Technology do campus da TTU. As principais
vantagens de utilizar os dados de poços do Texas foram (a) poder comparar os
resultados com os obtidos pelo CGST anteriormente e (b) absorver as tecnologias
desenvolvidas por eles para processar os dados.
De um modo geral, os resultados obtidos utilizando o Spline e Krigagem
foram relativamente próximos. Porém, o Spline apresentou algumas inconsistências
quando as amostras variavam a localização, o que não foi percebido pela Krigagem.
Por outro lado, a Krigagem depende muito da intervenção humana, o que pode gerar
resultados tendenciosos dependendo da configuração definida.
O processamento dos dados, desenvolvido pelo CGST, através de scripts em
Visual Basic, viabilizou a produção de um grande volume de informação em pouco
tempo. Em particular, o grande aprendizado foi como criar os scripts e definir a
metodologia adequada para processar os dados.
Entre 10 e 17 de janeiro de 2011 foi realizada uma visita técnica ao
departamento de recursos hídricos da Universidade do Texas em Austin, que visou
aprender a utilizar o Water Evaluation And Planning System (WEAP) para
modelagem hidrológica e geração de cenários. Durante a pesquisa em Lubbock,
surgiu a idéia de interligar o MODFLOW ao WEAP para gerar cenários futuros para
o aquífero Ogallala de acordo com a demanda de água da agricultura, como por
exemplo:
Cenário atual: Prever o tempo que o aquífero suporta o consumo atual.
Cenário sustentável: Estimar a redução do consumo d’água para que o
aquífero consiga manter um nível satisfatório.
Porém, devido à complexidade para utilizar os modelos e o pouco tempo
disponível, não foi possível alcançar grandes evoluções até o momento.
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No entanto, espera-se que o conhecimento adquirido durante a pesquisa na
TTU seja de grande contribuição no desenvolvimento da dissertação de Romildo
Toscano, que irá começar o mestrado em abril de 2011 no PPGEUA da UFPB,
tendo como área de estudo uma bacia inserida na região semiárida do Nordeste
brasileiro.
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BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
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