Procedimentos para Determinação do Índice de Dissipação de Erosividade (IDE)

ISSN 1517-2627
Maio, 2020

Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária
Embrapa Solos
Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento

DOCUMENTOS
214

Procedimentos para Determinação do Índice de Dissipação de Erosividade (IDE)

Luís Carlos Hernani
Alexandre Ortega Gonçalves
Bianca Ortolan
Edson Fernando de Souza

Embrapa Solos
Rio de Janeiro, RJ
2020

Procedimentos para Determinação do Índice de Dissipação de Erosividade (IDE)

Embrapa Solos

Rua Jardim Botânico, 1024.

Jardim Botânico., Rio de Janeiro, RJ - CEP: 22460-000

Fone: + 55 (21) 2179-4500

www.embrapa.br

www.embrapa.br/fale-conosco/sac

Unidade responsável pelo conteúdo e edição

Embrapa Solos

Comitê Local de Publicações

Presidente: Daniel Vidal Perez

Secretário-Executivo: Marcos Antônio Nakayama

Membros: Bernadete da Conceição Carvalho Gomes Pedreira, Evaldo de Paiva Lima, Helga Restum Hissa, José Francisco Lumbreras, Joyce Maria Guimarães Monteiro, Lucia Raquel Queiroz Pereira da Luz, Maurício Rizzato Coelho, Ricardo de Oliveira Dart, Wenceslau Geraldes Teixeira

Supervisão editorial: Marcos Antônio Nakayama

Revisão de texto: Marcos Antônio Nakayama

Normalização bibliográfica: Enyomara Lourenço Silva (CRB 4/1569)

Projeto gráfico da coleção: Carlos Eduardo Felice Barbeiro

Editoração eletrônica: Alexandre Abrantes Cotta de Mello

Capa: Alexandre Abrantes Cotta de Mello

Foto da capa: Júlio Cezar Franchini dos Santos

1ª edição

E-book (2020)

Todos os direitos reservados.

A reprodução não autorizada desta publicação, no todo ou em parte,
constitui violação dos direitos autorais (Lei nº 9.610).

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP)

Embrapa Solos

Procedimentos para determinação do Índice de Dissipação de Erosividade (IDE) / Luís Carlos Hernani … [et al.]. – Rio de Janeiro : Embrapa Solos, 2020.

E-book : il. color. – (Documentos / Embrapa Solos, ISSN 1517-2627 ; 214).

E-book, no formato ePub.

1. Erosão do solo. 2. Microbacia. 3. Bacia hidrográfica. 4. Manejo do solo. 5. Manejo de água. I. Gonçalves, Alexandre Ortega. II. Ortolan, Bianca. III. Souza, Edson Fernando de. IV. Embrapa Solos. V. Série.

CDD 631.45

Luciana Sampaio de Araujo (CRB 7/5165)

© Embrapa, 2020

Autores

Luís Carlos Hernani

Engenheiro-agrônomo, doutor em Agronomia, pesquisador da Embrapa Solos, Rio de Janeiro, RJ

Alexandre Ortega Gonçalves

Engenheiro-agrônomo, doutor em Ciência/Engenharia de Sistema Agrícolas, pesquisador da Embrapa Solos, Rio de Janeiro, RJ

Bianca Ortolan

Bióloga pela Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ

Edson Fernando de Souza

Tecnólogo em Eletromecânica, Fapeagro, Londrina, PR

Agradecimentos

À Itaipu Binacional pelo apoio e fornecimento dos meios e dos recursos financeiros para realização, entre outros, dos trabalhos relativos ao monitoramento de mananciais em propriedades agrícolas utilizando equipamentos específicos;

Aos produtores rurais parceiros que dispuseram suas áreas e forneceram todo o apoio necessário à instalação e manutenção de equipamentos e estruturas específicas em mananciais, localizados em suas propriedades, e participaram ativamente do desenvolvimento dos trabalhos que geraram grande aprendizado e novos conhecimentos, auxiliando a aprimorar a metodologia aqui desenvolvida;

À FEBRAPDP pelo apoio no processo de aproximação e desenvolvimento de parcerias com produtores rurais, fundações, cooperativas e associações;

A todos os colaboradores de unidades da Embrapa, universidades, fundações, cooperativas, associações e grupos ativos de produtores que estiveram na linha de frente deste desenvolvimento metodológico;

E, em especial, ao engenheiro-agrônomo Adoildo da Silva Melo, da Embrapa Solos, pelo apoio fundamental na operacionalização dos trabalhos de campo, e ao Professor Doutor Luiz Renato D’Agostini, da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), fonte de inspiração deste trabalho, orientador e incentivador da Rede de Pesquisa SoloVivo;

Os mais sinceros agradecimentos.

Apresentação

Este documento contém informações sobre a instalação, operação e manutenção de equipamentos e os procedimentos para o tratamento dos dados para a obtenção do Índice de Dissipação de Erosividade (IDE) proposto por D’Agostini et al. (2017). Esse índice trata da relação entre quantidade potencial de energia erosiva que flui em determinada extensão de terra (ex., uma microbacia hidrográfica) – definida a partir do regime de chuvas e do padrão geométrico da microbacia – e a fração desse potencial energético convertida em trabalho mecânico erosivo – caracterizado pela produção de sedimentos na foz. Quanto menor a razão (trabalho erosivo) / (potencial de energia erosiva), mais elevado o IDE e, portanto, melhor é o manejo no controle da erosão, independentemente do padrão geométrico do meio, das características das chuvas e da quantidade de solo erodido.

O IDE possibilita identificar e distinguir áreas agrícolas que mereçam a devida atenção, seja para a induzir a adoção de boas práticas conservacionistas, seja para o reconhecimento de excelência de manejo ambiental que traz benefícios não apenas ao próprio produtor rural, mas a toda a comunidade.

Petula Ponciano Nascimento
Chefe-Geral da Embrapa Solos

Índice de Símbolos

β = coeficiente de efetividade de conversão de potencial energético em produção de sedimentos (adimensional)

Ws = trabalho erosivo gerado pela energia não dissipada ou carreamento de sedimento até cursos d’água (J)

EcC = energia cinética da chuva (t m ha⁻¹ cmchuva⁻¹)

EcE = energia cinética em potencial na água de escoamento (J)

R = coeficiente de efetividade mecânica do fluxo de energia

IDE = Índice de Dissipação de Erosividade (adimensional)

v = fator que assegura significância a β em relação à unidade

Ms = massa de sedimentos (kg)

L = comprimento médio da rede de drenagem (m)

g = aceleração gravitacional (m s⁻²)

Q = vazão (m³ s⁻¹)

l = largura da abertura do vertedouro (m)

H = altura da lâmina d’água sobre a soleira do vertedouro (m)

lw = comprimento da rede de drenagem da microbacia hidrogáfica (m)

L = caminhamento médio dos sedimentos (m)

A = área de influência ou de captação da microbacia hidrográfica (m²)

CSS = concentração de sedimentos em suspensão (g L⁻¹)

Ma = massa de água potencialmente passível de escoar superficialmente (kg)

h = altura da lâmina de precipitação ou o total de chuva do período em estudo (m)

ρa = massa específica da água (kg m⁻³)

i = intensidade de chuva (cm h⁻¹)

teventos = soma de tempos de precipitação

ttotal = todo o tempo ao longo do qual ocorrem eventos considerados de uma mesma chuva

imp = intensidade média ponderada de precipitação em cada evento

imáx = intensidade máxima de precipitação no evento correspondente

p = quociente de ponderação, em relação às durações dos eventos chuvosos

NTU = Nephelometric Turbidity Unit

1. Introdução

O Programa Produtor de Água (PPA) proposto pela Agência Nacional de Águas (ANA, 2003) tem como objetivo maior incentivar o produtor rural a investir em ações que ajudem a conservar e melhorar a qualidade da água. Mediante o conceito de Pagamento por Serviços Ambientais (PSA), este programa estimula os produtores rurais a investirem no cuidado com as águas, recebendo para isso apoio técnico e financeiro para implementação e manutenção de práticas conservacionistas. Pressupõe, portanto, haver elevada correlação entre qualidade do manejo do solo, níveis de produção de sedimentos e implicações sobre poluição e disponibilidade de água na porção a jusante da microbacia hidrográfica. Com isto, além do ganho econômico com a sua produção, o produtor também melhora a quantidade e a qualidade da água da região, beneficiando a todos.

Embora a bacia hidrográfica seja a unidade territorial para a política de recursos hídricos (Lei 9433/97), estudos realizados, até o momento, para identificar formas de compensação tomam a propriedade rural como unidade espacial. Proposta de Chaves et al. (2004 a, b) baseada em relações entre valores atribuíveis a fatores da Equação Universal de Perdas de Solo (USLE) exige a quantificação das relações entre qualidade do manejo do solo e níveis de erosão no âmbito de microbacias. Portanto, essa proposição aplica-se quando e onde for possível a determinação dos fatores empíricos da USLE. D’Agostini e Cunha (2007), baseados em D’Agostini (1999), propuseram uma alternativa para a operacionalização do PPA ou outros programas de objetivos semelhantes, que considera a microbacia hidrográfica – tanto como espaço de relações físicas quanto sociais – como a unidade territorial de fato; mediante procedimentos que sistematizam relações que fundamentem e possibilitem avaliar o desempenho ambiental da unidade territorial, em qualquer contexto em que a avaliação ocorra.

Com base nessa concepção original, D’Agostini et al. (2017) propuseram o Índice de Dissipação de Erosividade (IDE), que é um coeficiente de transformação de potencial energético em trabalho, justa e objetiva referência ao desempenho de quem pode agir naquela transformação. Esse índice permite distinguir desempenhos levando em conta as características não manejáveis do meio. Essa distinção, quando justa, move o ser humano em desempenhar, cada vez melhor, ações que beneficiam o coletivo. Portanto, a proposição do IDE alinha-se à orientação do PPA e é útil para sua operacionalização. E, poderá servir como subsídio para tomadores de decisões e elaboradores de políticas públicas relacionadas à questão ambiental, fomentando a necessidade de maior empenho em executar boas práticas agrícolas e reconhecendo os proprietários que assim as fazem.

Este documento tem como propósito disponibilizar os meios necessários e procedimentos recomendados para calcular o IDE em microbacias, ou seja, bacias hidrográficas de pequeno porte (de primeira ordem), a partir da experiência vivida no âmbito da Rede de Pesquisa SoloVivo liderada pela Embrapa Solos.

2. A Rede de Pesquisa SoloVivo e a metodologia adotada no monitoramento

A Rede de Pesquisa SoloVivo (RPSV) surgiu em função de projeto coordenado pela Embrapa o qual visa desenvolver e validar indicadores de qualidade de manejo de solo e água em áreas agrícolas que utilizam o plantio direto na região Centro-Sul do Brasil. Essa rede é composta por pesquisadores, extensionistas, professores e estudantes de diversas instituições de ensino e pesquisa, além de produtores rurais e suas associações de agricultores.

Os métodos e procedimentos adotados pela RPSV, aqui resumidamente descritos, são baseados em trabalhos de D’Agostini et al. (2001), D’Agostini; Cunha (2007) e D’Agostini et al. (2017).

Considerando a bacia hidrográfica como um sistema aberto, D’Agostini (2001) pressupõe o regime de chuvas associado ao padrão geométrico da microbacia hidrográfica (MBH) define um potencial de energia erosiva, que em parte se converte em trabalho mecânico caraterizado pelo carreamento de sedimento até os cursos d’água. A razão (trabalho/potencial energético) definiria um coeficiente β, dado como:

Equação 1

Em que β (adimensional) é o coeficiente de efetividade de conversão de potencial energético em produção de sedimentos (comumente na ordem de 10⁻³ a 10⁻⁴ J J⁻¹), Ws é trabalho erosivo ou gerado pela energia não dissipada expressa em joule (J), correspondente ao carreamento de sedimento até cursos d’água, EcC é a energia cinética da chuva em joule (J), EcE é energia cinética em potencial na água de escoamento (J), R (adimensional) é termo de efetividade do regime do fluxo de energia.

Considerados os sempre baixos valores absolutos de β e a conveniência de se expressar o desempenho ambiental como índice objetivamente comparável, um Índice de Dissipação de Erosividade (IDE) pode ser proposto como:

Equação 2

Em que v > 1 assegura significância a β em relação à unidade. Sugere-se adotar valores de v entre 2 e 10.

2.1. Obtenção do coeficiente de efetividade de conversão de potencial energético em produção de sedimentos – o beta (β)

2.1.1. O trabalho gerado pela energia não dissipada (Ws)

O trabalho gerado pela energia não dissipada (Ws) que produz o transporte de sedimentos até cursos d’água se dá sob a ação da gravidade (g) sobre plano de comprimento médio L (m) com inclinação média θ. Assim, Ws é dado por

Equação 3

Em que: Ms é massa (kg) de sedimentos; L é o comprimento médio dos planos sobre os quais o sedimento é carreado até curso d’água (m), g é aceleração gravitacional (9,8 m s⁻²) e cos θ é o cosseno do ângulo de inclinação média do terreno (°).

Para medir a descarga sólida em suspensão e, consequentemente, a massa de sedimentos (Ms), é necessária a obtenção de duas variáveis fundamentais: a vazão do curso d’água (Q) e a concentração de sólidos em suspensão (CSS) presentes na água fluvial.

A medida da vazão (Q) depende das condições específicas de cada estação de monitoramento. No caso adotado como exemplo, o vertedouro utilizado é retangular de parede delgada; portanto, é utilizada a Fórmula de Francis:

Equação 4

Em que Q é a vazão (m³ s⁻¹), l é a largura da abertura do vertedouro (m), que é um valor fixo medido previamente em campo, e H é a altura da lâmina d’água sobre a soleira do vertedouro (m).

Nos procedimentos adotados pela RPSV, para medir em tempo real a lâmina d’água (H) que corre sobre o vertedouro, é utilizado um sensor (detalhado em tópico posterior) tipo radar que mede a altura entre o equipamento e o fundo do leito do córrego e a altura entre o equipamento e a superfície da lâmina d’água. Além disso, é necessário conhecer a altura da soleira, no caso do vertedouro. Com isso, o H é obtido por:

Equação 5

Em que: H é a lâmina d’água (em m); Stage e Distance são parâmetros e variáveis medidos pelo sensor, sendo que Stage é a altura entre o sensor e o fundo do leito ou do canal (pré-estabelecida no campo) e Distance é a altura entre o sensor e a superfície da lâmina d’água (a altura da soleira é medida manualmente no próprio campo).

De acordo com Villela e Mattos (1975), o comprimento médio da rede de drenagem L pode ser obtido como

Equação 6

Em que: L é o comprimento médio da rede de drenagem (m), A é a área da microbacia (m²) e lw é o comprimento (m) da rede de drenagem da microbacia.

Nas condições adotadas pela RPSV, em que são usadas nascentes de microbacias de 1ª ordem, considera-se que não há curso d’água, pois o conjunto de equipamentos que caracterizam a estação de monitoramento Hidrossedimentológico (EHS) está localizado na parte inicial do curso d’água (em torno de 50 m da nascente). Todavia, continua sendo necessário o cálculo de L (comprimento médio dos planos sobre os quais o sedimento é carreado até curso d’água) para se definir o trabalho produzido no deslocamento de sedimentos. Para que sedimentos sejam transportados ao longo e para fora da microbacia, é preciso reconhecer o caminho de comprimento médio L, ainda que não seja através de curso d’água. A solução a seguir idealiza uma microbacia sem curso d’água, o que seria uma microbacia circular com foz no centro.

Equação 7

Em que: L (m) é o caminhamento médio dos sedimentos e A (m²) é a área de influência ou de captação da MBH. Esse parâmetro, diferente dos demais calculados até então, não depende dos dados da EHS.

É um parâmetro fisiográfico calculado a partir da área de influência da MBH. Embora o procedimento para determinar a área de influência não seja aqui sistematizado, pode ser dimensionado a partir de técnicas de geoprocessamento e sistemas de informação geográfica (SIG).

Para calcular a massa de sedimentos (Ms), em kg, é necessária prévia calibração do sensor de turbidez em laboratório para determinação da curva de relação entre o sinal de turbidez e a concentração de sólidos em suspensão (CSS). Tendo essa relação, obtém-se a CSS e, então a Ms mediante a Equação 8.

Equação 8

Sendo 0,3 um fator de conversão, aqui adotado porque o produto entre Q * CSS resulta em descarga sólida, em g s⁻¹, que equivale à quantidade em massa de sedimentos que está sendo transportando pelo volume d’água em um período de tempo. Para excluir o fator temporal e obter apenas a massa de sedimentos, multiplica-se o resultado da descarga sólida pelo tempo equivalente. Nesse sentido, como pela abordagem adotada pela RPSV, cada registro se refere a um conjunto de dados obtidos num intervalo de 5 minutos, ou 300 segundos. Assim, multiplica-se a descarga sólida pelo tempo (300), mas ao se fazer a conversão da unidade de medida de gramas para quilogramas (/1000), resulta a multiplicação final por 0,3. O valor final de Ms é obtido pelo somatório de todos os resultados individuais de Ms do período considerado (planilha de dados brutos MODEM).

2.1.2. Energia cinética em potencial no escoamento (EcE)

A energia máxima possível no processo de conversão de coordenadas mecânicas sobre um plano inclinado perfeitamente liso (EcE) é dada por

Equação 9

Em que: Ma é a massa (kg) de água potencialmente passível de escoar superficialmente, g é a força da gravidade (9,8 m s⁻²), L é o comprimento médio (m) do trajeto de escoamento sobre o solo (caminhamento médio dos sedimentos) e θ é o ângulo da inclinação média do terreno (°).

A massa de água (Ma) é dada por

Equação 10

Em que: h é a altura da lâmina de precipitação ou o somatório total de chuva do período em estudo (m), A é área de influência da MBH (m²) e ρa é massa específica da água (kg m⁻³).

2.1.3. Energia cinética da chuva (EcC)

A energia cinética da chuva é dada pela equação de Wischmeier e Smith (1978):

Equação 11

Em que: EcC é dado em Mg m⁻¹ ha⁻¹ cmchuva⁻¹ e i é intensidade de chuva (cm h⁻¹). O resultado obtido por essa equação deve ser multiplicado por 0,0098 e pela lâmina de chuva (em cm) h para transformar em MJ ha⁻¹. Logo,

Equação 12

Multiplicando-se o resultado obtido com esta equação (em MJ ha⁻¹) pelo número de hectares da MBH obtém-se a EcC para a MBH.

2.1.4. O Coeficiente de efetividade mecânica (R)

R é o coeficiente de efetividade mecânica no regime de fluxo de energia encerrada na água que incide e pode escoar sobre o solo, dado por:

Equação 13

Em que: R é o coeficiente de efetividade mecânica, (teventos) é a soma de tempos de precipitação real, (ttotal) é todo o tempo ao longo do qual ocorrem eventos considerados de uma mesma chuva, imp é a intensidade média ponderada de precipitação em cada evento, imáx é a intensidade máxima de precipitação no evento correspondente, e o índice p é o quociente de ponderação, em relação às durações dos eventos.

A ponderação é feita pelo somatório da multiplicação de cada quociente pela duração do evento (t), dividido pelo total de duração de eventos do período chuvoso (teventos). Portanto,

Equação 14

Ressalta-se, finalmente, que os dados fisiográficos relativos à microbacia (área, declividade, etc.), necessários também à determinação do β e então do IDE, não são aqui abordados, porém podem ser gerados/obtidos a partir de técnicas de processamento digital de superfícies do terreno.

2.2. Estação de monitoramento hidrossedimentológico (EHS)

Para o desenvolvimento e determinação do Índice de Dissipação de Erosividade (IDE), a Rede de Pesquisa SoloVivo (RPSV) selecionou pequenas microbacias hidrográficas de 1ª ordem (MBHs) cultivadas com manejo em plantio direto. Em cada região de estudo, com base em aspectos visuais da superfície do terreno (ocorrência ou evidências de erosão), uso de práticas conservacionistas, detalhes de manejo de solo e de plantas, foram selecionadas duas MBHs – uma com manejo geral de boa qualidade e outra com manejo de qualidade inferior.

A abordagem adotada pela RPSV envolve a instalação, na nascente dessa MBH de 1ª ordem, de um conjunto de equipamentos específicos, conjunto esse denominado de Estação Hidrossedimentológica (EHS), conforme o esquema observado na Figura 1. A EHS é instalada no início do manancial próximo da nascente.

Figura 1. Esquema da disposição dos instrumentos para avaliação do desempenho ambiental em microbacia hidrográfica.

Fonte: Adaptado de D’Agostini et al. (2001).

São componentes dessa EHS:

Sensor de nível da lâmina d’água (vazão), tipo radar;

Sensor de condutividade elétrica e temperatura da água fluvial;

Sensor de turbidez da água fluvial;

Sensor de precipitação pluvial;

Sensor de umidade volumétrica, condutividade elétrica e temperatura do solo;

Datalogger;

Painel fotovoltaico ou placa solar;

Controlador de carga;

Bateria estacionária;

Antena de Internet (telemetria via celular, caso haja sinal GPRS no local);

Modem;

Mastro de sustentação do gabinete, datalogger, placa solar e para raios.

Dos cinco sensores instalados na EHS, para a determinação do IDE, são utilizados apenas o de nível da lâmina d’água (vazão), o de turbidez da água fluvial e o de precipitação pluvial; os demais servirão a outros estudos desenvolvidos pela RPSV e para auxiliar na explicação e compreensão dos resultados. A placa fotovoltaica ou painel solar, o controlador de carga e a bateria estacionária são os componentes do sistema fotovoltaico. Já o modem e a antena compõem o sistema de telemetria celular que funciona desde que haja sinal GPRS no local.

A configuração de equipamentos para uma EHS utilizando modelos e marcas, adotados na referida pesquisa, podem ser diferentes em outros casos ou estudos, a depender da oportunidade e relação custo-benefício.

Os dados gerados nas EHS foram descarregados e transformados para serem trabalhados em planilhas eletrônicas a fim de gerar os parâmetros necessários à determinação do β e do IDE

2.3. Instalação dos equipamentos da EHS

Após a seleção da MBH a ser monitorada, inicia-se o processo de instalação da EHS. Normalmente esse estudo é desenvolvido em áreas de propriedades particulares, portanto, o proprietário deve ter um conhecimento detalhado e estar de acordo com todas as etapas dos trabalhos a serem realizados e, inclusive, participar no processo de desenvolvimento do estudo avaliando e dando sugestões no desenvolvimento do processo. Ao realizar a instalação, deve-se minimizar ao máximo o corte de plantas e árvores da área de proteção permanente (APP) e, antes de iniciar os trabalhos, deve-se obter a devida autorização de órgãos ambientais. O período mais adequado para a instalação da EHS é o de estiagem, por ser um trabalho realizado no campo, imediatamente ao lado e dentro do canal do pequeno córrego. Após a aquisição e chegada ao campo de todos os componentes da EHS e depois da certificação de que existe sinal adequada de internet no local, iniciam-se as atividades da instalação seguindo-se os passos a seguir.

2.3.1. Preparação das bases ou sapatas para fixação da torre ou mastro

São construídas quatro sapatas com as dimensões de 0,4 m x 0,4 m x 0,4 m (Figura 2a), que, enterradas no terreno, vão permitir a fixação da torre. Três dessas sapatas são instaladas nos vértices de um triangulo equilátero sendo que cada uma das sapatas dista cerca de 5 m da base central. Nesta, será encaixada e fixada a haste que constitui o mastro ou a torre (Figura 2b). Nas sapatas laterais, são fixados ganchos de ferro onde são ligados os seis cabos de aço (dois em cada sapata) que fixam e mantêm com segurança a torre em pé (Figura 2c).

Figura 2. Sapata central (a e b) e uma das sapatas laterais (c) para fixação da torre.

Fotos: Adoildo da Silva Melo.

2.3.2. Instalação e fixação dos equipamentos na parte superior da torre

2.3.2.1. Para-raios

O para-raios é instalado na ponta da torre (Figura 3a). É constituído por hastes pontiagudas de metal que, conectadas a cabos de aterramento de cobre ou de alumínio de pequena resistividade, visam proteger os equipamentos contra descargas elétricas atmosféricas.

Figura 3. Parte superior da torre em montagem vendo-se o para-raios (a), a antena internet/celular (b) e a placa solar (c).

Foto: Adoildo da Silva Melo

2.3.2.2. Antena celular/internet

A antena a ser instalada é a do tipo Internet Rural com cabo específico que a liga ao modem e é fixada na parte superior da torre (Figura 3b). Verificar que o tipo de antena também pode ser específico em função da operadora de internet (Figura 4).

Figura 4. Tipos de Antena: (a) YAGI para celular base direcional, de 14dbi ou 20 dbi para operadora Vivo (CF814) e (b) CF920 para operadora TIM.

2.3.2.3. Painel solar

O painel fotovoltaico, ou placa solar, é instalado na parte superior da torre (Figura 3c). A função do painel é captar a energia solar e transformá-la em energia elétrica, disponibilizando-a para o sistema da EHS.

As especificações do Painel Solar são apresentadas no Quadro 1.

Quadro 1: Especificações do painel solar.

Fonte: Solar Brasil

2.3.3. Elevação e fixação definitiva da torre

Após a conclusão da instalação dos equipamentos e dos cabos de aço de sustentação na parte superior da torre, esta é içada e os cabos são fixados e conectados nas bases laterais (Figura 5).

Figura 5. Mastro sendo içado e fixado na sapata central (a) e instalação da torre concluída (b).

Fotos: Alexandre Ortega Gonçalves

2.3.4. Descrição dos equipamentos instalados no interior da caixa ambientalmente selada (parte inferior da torre)

O gabinete (caixa ambientalmente selada) é instalado a cerca de 1 m de altura na torre. Esse dispositivo abriga os seguintes equipamentos: datalogger, controlador de carga, bateria estacionária e modem (Figura 6).

Figura 6. Gabinete instalado (a), instalação dos equipamentos no interior (b) e detalhe interno do gabinete (c).

Fotos: Adoildo da Silva Melo

2.3.4.1. Coletor de dados (datalogger)

O principal componente da EHS é o coletor de dados (datalogger). Nos estudos da RSVP, utiliza-se o modelo CR1000 da Campbell Scientific, instalado no interior do gabinete da torre. Esse componente tem a função de coletar e armazenar dados enviados pelos sensores (Figura 7).

Figura 7. Datalogger modelo CR1000.

Fonte: Campbell Scientific.

Especificações do Datalogger CR 1000:

Taxa de leitura máxima: 100 Hz;

Entradas analógicas: 16 “single-ended” ou 8 diferenciais configurados individualmente;

Contadores de pulso: 2;

Canais de excitação chaveados: 3 tensões Portas Digitais: 8 I/Os ou 4 RS-232 COM;

Porta de Comunicações / Data Storage: 1 CS I/O, 1 RS-232, 1 paralela periféricos

Controladora 12 V chaveada: 1;

Faixa de Tensão de entrada: ± 5 Vdc;

Precisão Tensão analógica: ± (0,06% da leitura + offset), 0 °C a 40 °C

Resolução analógica: 0,33 mV;

Bits A/D: 13;

Faixa de temperatura: Padrão: -25 °C a 50 °C; Extensão: -55 °C a 85 °C;

Memória: 2 MB Flash (sistema operacional); 4 MB (uso de CPU, armazenamento de programas e armazenamento de dados);

Requisitos de Alimentação: 9,6 a 16 Vdc;

Consumo de corrente típico: ~ 0,6 mA (modo sleep); 1-16 mA (sem comunicação RS-232); 17-28 mA (com comunicação RS-232 comunicação);

Dimensões: 23,9 x 10,2 x 6,1 cm (9,4 x 4,0 x 2,4 polegadas);

Dimensões com CFM100 ou NL115 em anexo: 25,2 x 10,2 x 7,1 cm (9,9 x 4,0 x 2,8 polegadas);

Protocolos suportados: PakBus, Modbus, DNP3, FTP, HTTP, XML, POP3, SMTP, Telnet, NTCIP, NTP, SDI-12, a SDM;

Padrões de Conformidade CE para a conformidade: IEC61326: 2002.

2.3.4.2. Controlador de carga

As especificações do controlador de carga “Phocos modelo CA06” encontram-se no Quadro 2. Esse controlador fica instalado no interior do gabinete da torre ou mastro e tem a função controlar o fluxo de energia elétrica proveniente da placa solar e gerenciar o carregamento da bateria estacionária. É muito importante prestar atenção aos dois leds destacados na Figura 8. O de cima mostra que há energia proveniente do painel solar (led VERDE), e o de baixo mostra a “saúde” da bateria (se este led estiver aceso, a bateria está comprometida).

Figura 8. Controlador de Carga Phocos CA06.

Fonte: Phocos.

Esse dispositivo tem regime de carregamento regulado eletronicamente: carga de reforço e flutuante; proteção contra descarregamento profundo; regulação da série PWM, sem curto-circuito no painel; compensação da temperatura integrada; proteção eletrônica total: voltagem de surto do painel, polaridade incorreta no painel ou bateria e sobrecarga e curto-circuito no dispositivo; 3 LEDs para indicações de: estado da carga (SOC), LVD (desconectar em baixa voltagem) e sobrecarga/curto-circuito; e positivo comum que permite o uso do cabo terra. Outras especificações estão no Quadro 2.

Quadro 2. Especificações do Controlador de Carga Phocos CA06.

Tipo

CA06

CA08

CA10

CA14

Voltagem Normal

12 V

12 V

12 V

12 V

Compensação da temperatura

-3 mV/cell

-3 mV/cell

-3 mV/cell

-3 mV/cell

Máxima corrente do módulo

5 A

8 A

10 A

14 A

Máxima carga elétrica

6 A

8 A

10 A

14 A

Dimensões

80 x 100 x 32 mm

Peso

180 g

Tamanho máx. do fio

16 mm² (AWG#6)

Consumo próprio de energia

4 mA

Variação de temperatura

-40 °C a +50 °C

Tipo de proteção

IP22

Fonte: Phocos.

2.3.4.3. Bateria estacionária

Na , observa-se uma bateria estacionária de 12 V e 24 Ah, cuja vida útil varia entre 2 e 3 anos. Essa bateria fica instalada no interior do gabinete da torre de sustentação, armazena e fornece energia ao sistema da EHS.

Figura 9. Bateria Estacionária 12 V 24 Ah.

Foto: Center Power Tech.

2.3.4.4. Modem

Entre os componentes telemétricos utilizados, cita-se o Modem - QUADRIBAND - Terminal JAVA TC65i DUODIGIT (Figura 10). Desenvolvido para atender às especificações do mercado de automação de transmissão de dados em GSM/GPRS, esse modelo de modem possibilita realizarem-se atualizações remotamente, possui sistemas de “Watch-Dog” de Hardware e Dual SIM Card externo e, com 2 portas seriais e I/Os externos, facilita a integração com outras plataformas. Entre as especificações técnicas para transmissão GPRS de dados, tem-se: GPRS classe 12; “Mobile station” classe B; Suporte PBCCH Completo; e “Coding schemes” CS 1-4.

Figura 10. Modem QUADRIBAND Terminal JAVA TC65i DUODIGIT.

Fonte: Duodigit.

2.3.5. Descrição dos sensores conectados ao datalogger

Em seguida, são resumidamente descritos os procedimentos de instalação dos sensores e sua conexão física com o datalogger.

2.3.5.1. Sensor de nível da lâmina d’água

O sensor de nível da lâmina d’água tipo radar modelo CS475-L, marca Campbell Scientific, pode ser observado na Figura 11. Trata-se de um sensor de alcance de radar que monitora o nível da água, emite um sinal SDI-12 digital para indicar, em tempo real, a distância entre a face sensora do radar e a superfície da lâmina d’água (Distance) do manancial.

Figura 11. Sensor de nível de água tipo radar, modelo CS475-L.

Fonte: Campbell Scientific

Esse sensor é instalado a uma distância máxima de 2,0 m da lâmina d’água. Algumas de suas especificações são:

Faixa de medição: de 50 mm a 20 m;

Precisão: ± 5 mm (em toda a faixa de medição);

Resolução: 1 mm;

Opções de saída SDI-12;

Frequência de radar: ~ 26 GHz;

Energia de pulso: 1 mW no máximo;

Ângulo de feixe: 10°;

Proteção contra sobretensão: 1,5 KVA;

Faixa de temperatura operacional: -40 °C a 80 °C.

Sua instalação dependerá das condições locais e da intensidade de investimento no estudo. Uma armação retangular de ferro fixado em base de concreto pode ser usada para sustentar o sensor que deve permanecer em nível (Figura 12).

Figura 12. Instalação do sensor em canal natural (a) e vista do sensor instalado em canal natural (b) e em um vertedouro (c).

Fotos: Adoildo da Silva Melo

2.3.5.2. Sensor de Turbidez

O Sensor de Turbidez, modelo OBS 3+, marca Campbell Scientific, utilizado pela RPSV, pode ser visualizado na Figura 13. Trata-se de uma sonda submersa (Figura 1) com o conjunto óptico voltada para o lado interno do leito do manancial. Ele emite uma luz infravermelha proximal (1.100 nm a 2.500 nm) e mede a luz que retorna das partículas suspensas na água e dos sólidos em suspensão. Se houver uma obstrução no seu alcance, a luz emitida se dispersará novamente, e a leitura da turbidez será muito alta. A óptica do sensor voltada para o lado evita obstruções acima e abaixo.

Figura 13. Sensor de Turbidez OBS-3+.

Fonte: Campbell Scientific

Especificações:

Profundidade Máxima de Submersão: 500 m para corpo de aço inoxidável, 1.500 m para o corpo de titânio;

Precisão da concentração: 2% da leitura ou 1 mg l⁻¹ (o que for maior) para lama, 4% da leitura ou 10 mg l⁻¹ (o que for maior) para areia;

Faixa máxima de concentração: depende do tamanho do sedimento, formato das partículas e refletividade, 5.000 mg l⁻¹ a 10.000 mg l⁻¹ (para lama) e 50.000 mg l⁻¹ a 100.000 mg l⁻¹ (para areia);

Faixa de temperatura operacional: 0 °C a 40 °C;

Deriva ao longo do tempo: <2% ao ano;

Taxa máxima de dados: 10 Hz;

Tempo mínimo de aquecimento: 2 s;

Comprimento de onda infravermelha: 850 nm ± 5 nm;

Rejeição à luz do dia: -28 dB (re: 48 mW cm⁻²);

Potência óptica: 2.000 µW;

Precisão da turbidez: 2% da leitura ou 0,5 NTU (o que for maior);

Material da carcaça: aço inoxidável 316 ou titânio;

Conector: MCBH-5-FS, plugável a úmido.

Na Figura 14, vê-se que o sensor de turbidez é instalado, ao lado do sensor de condutividade e temperatura da água fluvial, o que pode ocorrer em diferentes condições, tais como em leito natural, como mostra a Figura 14 (a e b), e em condição de vertedouro de alvenaria (Figura 14 c) e em calhas tipo “H” ou Parshall. Deve ser mantido a uma altura entre 5 cm e 10 cm do fundo do canal, sendo por isso fixado na lateral do leito, com a face do conjunto ótico sempre voltado para o centro do leito.

Figura 14. Vista do sensor de turbidez instalado ao lado do de condutividade e de temperatura da água, em condição de leito natural (a e b) e de vertedouro (c).

Fotos: Adoildo da Silva Melo.

2.3.5.3. Sensor de condutividade elétrica e temperatura da água

O sensor de condutividade elétrica e temperatura da água é mantido submerso na água, não necessariamente a uma altura fixa e sempre ao lado do sensor de turbidez (Figura 14 a e b); o modelo CS547A-L da marca Campbell Scientific pode ser visualizado na Figura 15. O CS547-L atua numa faixa de pH de 3,0 a 9,0, com uma precisão de condutividade de ±5% (a 25 °C) acima de
0,45 mS cm⁻¹ a 7,0 mS cm⁻¹, e ±10% (a 25 °C) acima de 0,005 mS cm⁻¹ a 0,45 mS cm⁻¹ de alcance. A precisão da linearização polinomial da temperatura é tipicamente menor que ±0,1 °C na faixa de 0 °C a + 48 °C. A precisão da permutabilidade é tipicamente menor que ±0,2 °C na faixa de 0 °C a + 50 °C. Opera sob temperatura de 0 °C a 50 °C.

Figura 15.Sensor de condutividade elétrica e temperatura da água mod. CS547A-L.

Fonte: Campbell Scientific.

2.3.5.4. Sensor de umidade volumétrica, condutividade e temperatura do solo

O sensor que monitora o conteúdo volumétrico da água, a condutividade elétrica aparente e a temperatura do solo modelo CS650-L (Figura 16a) fica instalado nas proximidades do datalogger, próximo ao limite da área de proteção permanente da nascente, e integra a camada de 0 cm a 30 cm de profundidade do solo (Figura 16b).

Figura 16. Sensor de umidade volumétrica, condutividade e temperatura do solo mod. CS650-L (a) e instalado em condição de campo (b).

Fonte: Campbell Scientific (a) e Foto: Adoildo da Silva Melo (b).

2.3.5.5. Sensor de precipitação pluvial

O sensor de precipitação pluvial (pluviômetro) HYDROLOGICAL SERVICE modelo TB4-L (Figura 17) é interligado ao datalogger, porém fica instalado a uma distância >= 50 m da área de proteção permanente da nascente, para não haver influência desse tipo de obstáculo nos dados de precipitação (Figura 18). Capta chuvas no funil de coleta de 200 mm de diâmetro, e, quando são coletados 0,254 mm de chuva, a ponteira do conjunto da caçamba basculante ativa uma chave magnética (reed switch) cujo sinal elétrico é gravado pelo canal de pulsos do datalogger. Quando a caçamba se movimenta, a água é escoada e eliminada para fora do aparelho.

Figura 17. Sensor de precipitação modelo TB4, Hydrological Service.

Fonte: Campbell Scientific

Figura 18. Sensor de precipitação pluvial, em área cercada para não permitir a aproximação de animais (a) e em área de produção agrícola (b).

Fotos: Adoildo da Silva Melo.

2.3.6. Diagrama de fios e conexão dos sensores ao datalogger

O diagrama de fios para conexão dos sensores às respectivas entradas do datalogger (CR1000) pode ser observado na Figura 19. Os cabos dos sensores de turbidez (mod. OBS-3+), condutividade elétrica e temperatura da água (mod. CS547A-L) e de umidade volumétrica, condutividade elétrica e temperatura do solo (mod. CS650-L) contêm cinco fios; o sensor de precipitação pluvial (TB4) tem três fios, e o de lâmina d’água/vazão (CS475) tem quatro fios. Os fios de cada sensor apresentam cores diferenciadas que devem ser conectadas aos respectivos pontos indicados no diagrama. O fio positivo do modem, da mesma forma, deve ser conectado ao seu respectivo ponto do modem. A Figura 20 ilustra esse processo que é realizado no campo.

Figura 19. Diagrama para instalação de fios dos sensores no datalogger.

Figura 20. Conectando fio a fio dos sensores no datalogger.

Foto: Adoildo da Silva Melo.

2.4. A operacionalização dos equipamentos da EHS

Neste item, são abordados os processos e os procedimentos para instalação de softwares em computadores de mão ou portáteis (notebook, netbooks, tablets ou smartphones), configurações, operacionalização do sistema de telemetria bem como é descrito o processo de obtenção dos dados (download) no campo e a solução de possíveis problemas com os softwares e programas do sistema adotado nas EHS.

2.4.1. Instalação do software PC200W e configuração do datalogger

O software PC200W (disponível apenas no idioma inglês), que pode ser baixado gratuitamente no website da Campbell Scientific (www.campbellsci.com), é base para utilização do datalogger CR1000. Neste documento, a versão do software foi a PC200W_4.3. Para a instalação do software no notebook/netbook, basta um pequeno conhecimento em informática. A seguir, é mostrado o passo a passo da instalação do software PC200W:

a) Execute o arquivo PC200W_4.3.exe – uma janela como na Figura 21 será aberta.

Figura 21. Iniciando a execução do arquivo PC200W.

b) O programa avisará que todos os demais programas daquele fabricante (no caso a Campbell) devem estar fechados antes de prosseguir (Figura 22). Certifique que os programas foram fechados e clique OK.

Figura 22. Programas fechados, aguardando confirmação para continuar.

c) Após a confirmação, aguarde a instalação do PC200W_4.3 (Figura 23).

Figura 23. PC200W sendo configurado pelo sistema.

d) Ao término da instalação, reinicie a máquina, conforme solicitado pelo sistema. Neste caso, selecionar a opção Yes e depois clicar em “Finish” (Figura 24).

Figura 24. Instalação do software PC200w finalizada.

e) O software será instalado por padrão na pasta C:\Program Files (x86)\Campbellsci\PC200W, a qual também será o repositório dos dados.

2.4.2. Configuração do datalogger dentro do software PC200W

Ao utilizar o software pela primeira vez, é preciso configurá-lo de forma a acrescentar o coletor de dados referente a EHS. Para conectar o notebook/netbook ao datalogger, para configurá-lo ou descarregar os dados da estação, é necessário um cabo adaptador USB/Serial (Figura 25). O datalogger deve estar devidamente configurado e plugado ao notebook/netbook para que se estabeleça a conexão (Figura 26).

Figura 25. Cabo adaptador USB/Serial.

Nota: Evitar cabos genéricos, pois é comum darem problema.

Figura 26. Porta do datalogger para conectar o cabo USB/SERIAL.

Fonte: Campbell Scientific.

Em seguida, é descrito sinteticamente o processo da configuração do datalogger, realizado nas condições de campo, na EHS. Esse procedimento também pode ser realizado com o uso do software LoggerNet, que será visto no tópico  (

2.4.2.1. Iniciando a configuração do datalogger no PC200W

Abra o programa PC200W 4.3 Datalogger “Support Software” e clique no ícone que tem um sinal de “+”. Aparecerá "Add Datalogger" (Figura 27).

Figura 27. Iniciando a configuração do datalogger ao utilizá-lo pela primeira vez.

2.4.2.2. Usando o assistente “EZSetup” para configurar o datalogger

Abra o assistente “EZSetup Wizard – CR1000” (Figura 28), siga as instruções ali fornecidas para iniciar a configuração e, na tela “Introduction”, clicar “Next >”

Figura 28. Tela “EZSetup Wizard – CR1000” item “Introduction”.

2.4.2.3. Escolha do modelo do datalogger e um nome associado a este

Em seguida, na mesma tela anterior, no item “Communication Setup”, selecionar o tipo do datalogger, que no caso das EHS da RPSV é o CR1000. A seguir para a indicação de nome para o datalogger, este deve ser associado ao nome da EHS local: Exemplo: CR1000_RIO_VERDE (Figura 29). Após isso, clique em “Next >”

Figura 29. Escolhendo o datalogger (CR1000) e indicando o nome da EHS.

2.4.2.4. Selecionando a porta de comunicação

Em seguida, é selecionada a porta de comunicação (“COM Port Selection”) que será utilizada para conexão (Figura 30). Caso o cabo USB-Serial esteja plugado e instalado corretamente no computador, ele aparecerá na escolha da porta (Campo COM Port). Neste caso, clique em “Next >” mantendo a opção “COM Port Communications Delay” como na Figura 30.

Figura 30. Selecionando a porta de comunicação.

2.4.2.5. Escolhendo a velocidade de comunicação

Ainda na tela “EZSetup Wizard – CR1000”, selecionar “Datalogger Settings” para definir a velocidade de comunicação, que neste caso é 9600 (Figura 31). Selecionar em “Baud Rate” essa velocidade (9600) caso já não esteja selecionada, o valor de “PakBus Address” em “1” e clicar “Next >”.

Figura 31. Indicando a velocidade de comunicação (9600).

2.4.2.6. Resolvendo conflito de “PakBus Address”

PakBus é um protocolo adotado pela Campbell Scientific para identificar um datalogger quando operados em rede. Assim, se no passo anterior, ao clicar em Next, aparecer uma mensagem de alerta como na Figura 32, simplesmente a ignore clicando em “Yes”.

Figura 32.Aceitando o endereço de PakBus e seguindo a instalação.

Em “Datalogger Settings – Security” (Figura 33), apenas clicar em “Next >”

Figura 33. Tela requisitando o “Datalogger Setting – Security”

2.4.2.7. Resumo da configuração

Na mesma tela “EZSetup Wizard – CR1000”, selecionar agora o “Setup Summary”, e um resumo das configurações é mostrado conforme a Figura 34. Confira antes de prosseguir e, caso algo não esteja correto, usar botão "Previous" para corrigir o item incorreto. Estando tudo de acordo, clique em “Next >”.

Figura 34. Tela com o resumo das configurações para verificação.

2.4.2.8. Teste da comunicação

A resposta à questão “Test Communication?”, neste caso, é “não”, pois talvez este procedimento esteja sendo feito no escritório e só vale no caso de estar conectado à EHS ou ao datalogger. Então clique em “No” e depois “Next >” (Figura 35).

Figura 35. Tela sobre teste de comunicação.

2.4.2.9. Ajuste do relógio

A tela “Datalogger Clock” pode ser usada para ajustar o relógio (Figura 36), porém, neste caso, apenas clique em “Next >”.

Figura 36. Tela que mostra o relógio do datalogger.

Nota: O relógio pode ser ajustado também quando o computador estiver conectado ao datalogger para descarregar os dados.

2.4.2.10. Envie Programa

No item “Send Program”, apenas clique em “Next >” (Figura 37).

Figura 37. Tela para Selecionar e Enviar Programa.

2.4.2.11. Finalize a instalação do datalogger

Selecione o item “Wizard Complete” e clique em “Finish” (Figura 38).

Figura 38. Tela de finalização da instalação do datalogger.

2.4.3. Descarregando os dados da estação

Estando o datalogger devidamente instalado no programa PC200W, o procedimento de coleta de dados no campo já pode ser realizado. Para isto, na tela principal (Figura 39), selecione o datalogger cujos dados deseja descarregar, clicando sobre o seu nome específico ou sua figura: Exemplo: CR1000_RIO_VERDE. Em seguida clique em “Connect”.

Figura 39. Tela inicial para a coleta de dados

Após a conexão ter sido solicitada, na mesma tela mostrada na Figura 39, clicar na aba “Collect Data” verificando que em seguida aparece o tempo de conexão (Figura 40).

Figura 40. Conexão estabelecida entre computador e datalogger da EHS.

Em seguida, conforme a Figura 41, a opção “New data from datalogger”¹ deve ser ou estar habilitada (retângulo azul) e por fim clicar em “Start Data Collection” (elipse em cor vermelha). A seta branca está indicando o diretório onde estão os arquivos com os dados coletados na EHS, os quais deverão ser posteriormente enviados por e-mail.

Figura 41. Iniciando a coleta de dados e detalhe da pasta onde são armazenados os dados.

2.4.4. Solução de problemas

Ao descarregar ou baixar os dados no campo do datalogger, pode acontecer que, ao clicar em “Connect” (Figura 39), a comunicação entre computador e datalogger não seja estabelecida.

Abaixo são apresentadas as duas possibilidades mais recorrentes e sua solução.

2.4.4.1. Porta serial diferente da configurada no datalogger

Por se tratar de um dispositivo USB, pode ser que o adaptador USB/SERIAL ao ser plugado ao computador tenha seu número de porta alterado. Assim pode ser que a porta seja COM9, depois mude para COM10, COM11, etc.

Sendo assim essa possibilidade, na tela principal, clique com o botão direito do mouse sobre a figura do datalogger ao qual deseja se comunicar e selecione “Edit...”(Figura 42)

Figura 42. Entrando no modo de edição das configurações do datalogger.

Repita os passos mostrados anteriormente até alcançar à escolha da porta de comunicação (Figura 43).

Figura 43. Selecione “Communication Setup” e então a “COM Port”

Em “COM Port”, escolha a porta de comunicação que está válida no momento.

Então clique em “Next” e em seguida “Finish” e tente a conexão novamente.

2.4.4.2. Comunicação ocupada por causa do modem

Ao clicar em “Connect” e após alguns segundos aparecer uma janela como a da Figura 44, com a mensagem de erro, a porta de comunicação pode estar ocupada com o modem.

Figura 44. Após clicar em “Connect” pode aparecer esta janela.

Neste caso, desligue o datalogger retirando o conector verde de alimentação (realçado na Figura 45), recolocando-o em seguida.

Figura 45. Indicando o local do conector de alimentação no datalogger.

Então clique em “Connect” e aguarde a conexão ser processada.

2.4.5. Implantar o “Programa de Controle” via PC200W

Havendo necessidade de se alterar ou agregar um novo programa na memória do datalogger, o procedimento é similar ao de descarregar dados.

Após conectar e selecionar Clock/Program, clique em “Send Program...” (Figura 46).

Figura 46. Implantando o Programa de Controle.

Nota: Conforme mencionado anteriormente, ao clicar em “Set Clock”, o relógio da estação é configurado de acordo com o relógio do PC. IMPORTANTE: Não ajustar para horário de verão!

Em seguida, uma tela com um aviso como o da Figura 46 é aberta, indicando todos os perigos envolvidos neste processo, em especial com a perda de todos os dados já armazenados. Assim, ressalta-se que: “Antes de implantar um novo programa no datalogger, deve-se descarregar todos os dados já armazenados”.

Apenas clique em “Yes” (Figura 47) se já tiver certificado de que os dados anteriormente armazenados já tenham sido descarregados.

Figura 47. Notificação sobre possível perda de dados.

Uma janela é aberta (Figura 48) para a escolha do programa a ser enviado. Aponte para o diretório onde está o programa (arquivo com extensão .CR1) e clique em “Abrir”.

Figura 48. Apontar o diretório e clicar “Abrir”

Aguarde a transferência (Figura 49).

Figura 49. Aguardando a transferência.

Após completada a transferência, surgirá uma janela (Figura 50). Clique, então, em OK.

Figura 50. Notificação de envio de programa ao datalogger.

Desconecte, feche o programa e não se esqueça de plugar novamente o cabo do modem na porta
RS-232 do datalogger, caso a estação esteja programada para telemetria.

2.5. Instalação e operação da telemetria

Em seguida, serão indicados os passos para a instalação e operação da telemetria agregada ao datalogger da EHS.

2.5.1. Teste de potência do sinal para escolha da melhor operadora para o local

Nota: Certifique-se de ter instalado o driver de cabo USB/Serial-RS232 no computador.

Com o cabo adaptador USB/Serial devidamente instalado e em operação, proceda os seguintes passos:

Clique com o botão direito em Meu computador (Normalmente o ícone está presente na área de trabalho), em seguida clique em Propriedades e após clique em Gerenciador de Dispositivos (Figura 51).

Figura 51. Acessando o painel de controle do Windows para configurar a porta de comunicação.

Dentro do gerenciador de dispositivos vá na opção Portas (COM e LPT) (Figura 52) e selecione aquela que seja algo como USB Serial port (COMx).

Figura 52. Acessando as configurações da porta de comunicação.

Nota: É imprescindível que a velocidade de comunicação neste caso seja 9.600 bps

Clicar com o botão direito no ícone correspondente ao cabo, em seguida em Propriedades, para iniciar a configuração da porta.

Dentro da janela de propriedades da porta, clique na aba “Definições da Porta” e ajuste para os seguintes parâmetros:

9600 bits por segundo

8 Bits de dados

Paridade: nenhum

Bits de parada: 1

Controle de Fluxo: nenhum

OK

Realizados esses passos mostrados anteriormente, o sistema já está configurado para ter acesso ao modem.

Certifique-se de descarregar e instalar o programa de teste de sinal de antena (Programa “RealTerm”), disponível em https://sourceforge.net/projects/realterm/files/Realterm/2.0.0.57/

Com o modem desligado, realizar os seguintes procedimentos:

Conectar cabo adaptador serial USB-RS232 no notebook (USB) e no modem (RS 232) com velocidade de transmissão de “9600 bauds”;

Ligar o cabo da antena no modem;

Inserir o chip com o modem desligado (Consulte o manual do modem para informações);

Ligar o modem em uma bateria;

Abrir Programa “Real Term” (Figura 53).

Figura 53. Tela principal do “RealTerm”.

Nota: O usuário pode utilizar qualquer terminal para essa operação.

Ao executar o programa, é necessário escolher/configurar a porta de comunicação a ser utilizada, assim no RealTerm:

Na aba “Port”, na opção “Baund” escolha “9600 Baud”;

Ainda na aba “Port”, na “Port” (habilitar a mesma porta escolhida na configuração do cabo USB-RS232). Detalhe: Neste caso, apenas é exibido o número da porta e não o nome.

Clique em “Change” para aceitar e salvar as configurações.

2.5.2. Executando comandos AT na tela de Comandos do“RealTerm”

Configurado a porta de comunicações que trabalhará com o modem, o próximo passo é executar comandos AT² para “conversar” com o modem, para isso utilizaremos a tela de Comandos do “RealTerm”

Digitar “at” e clicar “enter”, se houver resposta “ok”, a configuração entre modem, antena e notebook está correta;

Digitar “at+cops” para identificar se o chip está ativo na rede. Resposta: “OK e nome da operadora” ou “000” no caso de o chip não estar ativo;

Digitar “at+csq” para checar potência do sinal. Resposta: -15,99 dbi (por exemplo). Este é o valor mínimo para que haja transferência de dados por qualquer operadora. É o equivalente a uma “barra” no display do celular.

No caso de haver sinal com a potência adequada (no mínimo -15,99 dbi), passar para a etapa de configuração do modem no “RealTerm”:

Na tela de comando do “RealTerm”, digitar “at&f” para limpar configurações anteriores;

Digitar “at+ipr=9600”, que se refere à velocidade em “baud” que o modem vai operar com o Datalogger;

Digitar “at+cgdcont=1”,“ip”,“apn da operadora” (ex.: claro.com.br; zap.vivo.com.br; gprs.oi.com.br) e clicar “enter”. A resposta neste caso é OK ou erro;

Digitar “at&w” para salvar as configurações.

Nota: Desligar o modem para iniciar a configuração do datalogger no modem.

2.5.3. Configurar o datalogger para trabalhar com o modem

Com o mesmo cabo USB-RS232 configurado inicialmente, conectar o notebook ao datalogger.

O procedimento foi realizado com o pacote LoggerNet da Campbell Scientific, cujos procedimentos são demonstrados a seguir.

2.5.4. Instalando e executando o “LoggerNet”

Usar arquivos que serão enviados ou disponibilizados em CD ou pendrive;

Usar o link abaixo para atualização (opcional) https://www.campbellsci.com.br/loggernet

Após a instalação do software, clicar na opção “Utilities > Device Config Utility” (Figura 54).

Figura 54. Vista da tela ao clicar “Utilities”.

O procedimento é semelhante ao realizado no PC200W; porém, o LoggerNet oferece alguns recursos extras que serão utilizados. Para tanto, devemos configurar tanto software (LoggerNet) quanto hardware (CR1000) para trabalharem com o modem.

Selecione o modelo do datalogger CR1000, escolha a porta de comunicação (PC Serial Port) a ser utilizada e ajuste a velocidade (Baund rate) para 9600 (Figura 55).

Figura 55. Ajustando os parâmetros de conexão do computador com o datalogger para teste de comunicação com o modem.

Ajustado os parâmetros, clicar em “Connect”.

2.5.5. Configurar a porta de comunicação (RS232)

Aqui devemos estabelecer qual porta será utilizada para a comunicação entre o datalogger e o modem.

Para tanto, clicar na aba “ComPort Settings” e selecionar a porta de comunicação RS-232, conforme ilustrado abaixo (Figura 56).

Figura 56. Selecionando a porta (RS-232) para comunicação entre o datalogger e o modem.

2.5.6. Habilitar e configurar o uso do protocolo TCP/IP

O acesso à internet pelo conjunto modem/datalogger é feito pelo protocolo PPP³, em que se utiliza de comandos AT para acessar a rede mundial de computadores.

Para tanto, configuraremos o PPP conforme indicado Figura 57 para, p.ex., a operadora CLARO.

Nota:

Para VIVO: “User Name” (Vivo); “Password” (Vivo); “Modem Dial String (*99#)”

Para OI: (Oi); (Oi); (*99***1#)

Figura 57. Configuração dos parâmetros da operadora para acesso à Internet PPP.

Para finalizar a configuração, clicar em “Apply” e OK e fechar o “Device Configuration”.

2.5.7. Configurando o datalogger pelo “LoggerNet”

Alternativamente se pode utilizar o modo de configuração do datalogger dentro do “LoggerNet” em sua forma avançada (Figura 58).

Na tela principal do “LoggerNet”, clicar na opção “Main” e em seguida “Setup”. Será aberta uma janela como a da Figura 58.

Os procedimentos são similares aos realizados quando da instalação pelo PC200W.

Clicar na opção “AddRoot”;

Clicar em “ComPort” e escolher a respectiva porta COM (a mesma para a qual foi configurado inicialmente o cabo USB-RS232).

Figura 58. Instalando o datalogger em maneira avançada no “LoggerNet”.

Clicar em “PakBusPort (Other Loggers)” (Figura 59)

Escolher o CR1000 e clicar em “Close” (Figura 59).

Figura 59. Selecionando o dispositivo (“Device”) na forma avançada.

Clicar em “PakBusPort” e configurar o campo “Baud Rate” para 9600, conforme indicado abaixo (Figura 60).

Figura 60. Configurando o “Baud Rate” na forma avançada do “LoggerNet”.

Clicar duas vezes no ícone CR1000 e o renomear com a identificação da estação (p. ex.: bacia 1 de Toledo = SVTOL01; onde SV refere-se ao Projeto Solo Vivo);

“Apply” (encerra “setup” para a conexão do “notebook” com o datalogger).

Realizada a “instalação” do CR1000 no “LoggerNet”, é possível realizar a conexão entre o computador e o CR1000 para implantação do software de controle da estação (arquivo .CR1).

2.5.8. Conectando o computador ao datalogger utilizando o “LoggerNet” para implantação do software de controle

Na tela principal do “LoggerNet”, clicar em “Main” e em seguida em “Connect”.

Será aberta uma janela chamada “Connect Screen”, como a da Figura 61.

Figura 61. Tela de conexão do “LoggerNet”.

Nota: Os procedimentos são similares ao PC200W.

Clicar na estação correspondente e em seguida clicar em “Connect”.

Clicar em “Send”;

Buscar o programa no diretório onde se encontra gravado o arquivo (*.cr1) para enviar o PROGRAMA para o CR1000.

Observação importante: Nesta etapa o Programa de configuração do datalogger CR1000 já deverá estar devidamente configurado com os respectivos nomes das estações (ex.: SVTOL01; comandos – “StationName”=TOL01, insira o Diretório e o nome da estação com 5 caracteres = "/SVTOL01/"), conforme visualiza-se na Figura 60. Ressalta-se que a configuração do datalogger pode ser feita tanto pelo “LoggerNet” quanto pelo PC200W.

2.5.9. Testando a transmissão de dados

Para testar a transmissão de dados (telemetria), serão adotados os seguintes passos:

Desconectar o datalogger da bateria (desconectando o fio), conforme Figura 62.

Conectar o modem na saída 12V do datalogger (Figura 63), caso ainda não esteja dessa forma.

Nota: nesta etapa o modem permanece desligado da bateria, conforme procedimento descrito anteriormente.

Figura 62. Datalogger desligado da bateria e modem ligado no 12V do datalogger, porém desconectado.

Foto: Edson Fernando de Souza

Ligar o modem (Figura 63);

Figura 63. Detalhe do modem ligado no 12V.

Foto: Edson Fernando de Souza.

Clicar na caixa de diálogo da “Table Monitor: Real Time Monitoring” e habilitar “Public” (Figura 64) para visualizar os valores das variáveis monitoradas;

Figura 64. Monitorando em tempo real as variáveis do programa de controle da EHS.

Mover a barra de rolagem da “Table Monitor: Real Time Monitoring” até encontrar a informação “false” ou “true”. Aguardar de 2 a 10 minutos para que haja êxito na transferência, e para tanto se espera que no campo PPP deverá constar o IP da operadora e que o campo “false” deverá ter sido alterado para “true”.

OK, a estação está transferindo os dados telemetricamente.

Nota: Verificado que a telemetria está ok, mudar o fio do Modem do 12V (no datalogger) para o 12VSW.

Observações:

Checar o serviço de dados do Chip da operadora local e a adequação do modem à frequência de trabalho da operadora escolhida;

Recargas dos chips: Para controlar e facilitar a recarga dos chips, sugere-se elaborar uma planilha contendo as colunas Número do Chip, Data da Recarga, Valor e Validade.

2.6. Manutenção dos equipamentos da EHS

A manutenção de equipamentos se dá mediante a visita às EHS e refere-se à limpeza dos sensores, do leito do canal ou do vertedouro ou das calhas; à inspeção e verificação do funcionamento dos sistemas fotovoltaico e telemétrico e dos próprios sensores e equipamentos que compõem a EHS.

É recomendável que essa manutenção seja diária. Porém, nem sempre há recursos humanos e financeiros disponíveis para que essa tarefa ocorra nessa periodicidade.

Por outro lado, cada local pode exigir uma frequência de manutenção diferenciada. Locais onde a vazão do rio é menor ou onde se forma lodo ou poças d’água parada afetando os sensores podem exigir um intervalo de tempo relativamente menor entre as limpezas. Cada caso é um caso e, portanto, cabe ao operador de campo ficar atento a esses detalhes e estabelecer o cronograma mais adequado para inspeções e limpeza dos componentes das EHS.

2.6.1. Sensor de Turbidez

Quando em operação, o sensor de turbidez deve ser mantido ao abrigo da luz, mesmo que indiretamente. Isso porque o resultado da leitura da turbidez poderá sofrer influência da luz. Essa influência é comum nas nascentes monitoradas pela Rede de Pesquisa Projeto SoloVivo (RPSV), nas quais os canais são de pequena profundidade. Nesse caso, por estar posicionado a uma distância fixa em relação ao fundo do leito, no período das cheias o sensor pode eventualmente estar lendo material em suspensão decorrente do evento atual, mas também, material remobilizado do leito, trazido por escoamentos decorrentes de eventos pluviométricos anteriores, levando a uma possível sobre-estimativa da turbidez. Uma alternativa é acoplar o turbidímetro a uma boia, para mantê-lo a uma distância fixa em relação à superfície e não em relação ao fundo, minimizando o efeito do sedimento remobilizado do leito das leituras durante as cheias, além de ser uma proteção adicional do turbidímetro em relação à incidência da luz.

Outro fato importante é a formação de “limo” ao redor da lente do sensor, principalmente em períodos de baixa vazão, quando o ambiente aquático se torna mais lêntico (presença de água com pouco movimento ou até estagnada). Isso faz com que os valores de turbidez aumentem, mesmo sem ocorrer aumento de sedimentos em suspensão. Para evitar essa situação, recomenda-se realizar visitas à estação para verificar e eliminar essa incidência de “limo” e definir a frequência adequada de visitas à EHS.

Nos casos em que a estação transmite os dados por telemetria, pode-se verificar se essa situação está ocorrendo pela alteração e incongruência entre os dados de turbidez e o do nível da lâmina d’água. Havendo incongruência e se constatando que essa se dá por ocorrência de “limo”, os dados de turbidez podem ser eliminados posteriormente.

A limpeza do turbidímetro se faz principalmente na lente do sensor (Figura 65).

Figura 65. Sensor de turbidez, com indicação do local a ser periodicamente limpo (a face sensora).

Fonte: Campbell Scientific.

Com uma haste de algodão ou um pano macio, limpar a lente com movimentos suaves. Faça esse procedimento em presença de água, pois a fricção pode ocasionar um contato abrasivo e danificar a lente. E lembre-se de que a lente deve ser mantida direcionada para o meio do canal, nunca para a parede lateral do leito.

2.6.1.1. Calibração do turbidímetro

Para se obter a equação que permite converter os valores de turbidez dados em NTU (unidade métrica que provém do inglês Nephelometric Turbidity Unit) para concentração de sedimentos em suspensão (CSS), usualmente expressa em miligramas por litro (mg L⁻¹), realiza-se um processo de calibração em laboratório em que se obtém um gráfico que relaciona o valor da turbidez da água e a CSS. É importante salientar que essa equação deve ser obtida para cada microbacia hidrográfica (MBH), ou cada MBH deve ter sua própria equação.

A técnica utilizada pela Rede de Pesquisa SoloVivo (RPSV) envolve a obtenção de amostras da camada superficial do solo (0 - 10 cm) de 15 pontos da MBH em diferentes cotas do terreno no entorno da estação hidrossedimentológica. As amostras são reunidas e homogeneizadas gerando uma amostra única para cada MBH. Com esse material, em laboratório, utilizando-se balança de precisão e recipientes volumétricos calibrados, preparam-se diferentes concentrações de sedimentos diluídos em água que são submetidos à leitura do sensor de turbidez em NTU. A partir desse procedimento, obtém-se a equação de correlação entre os fatores Concentração de Sedimentos em Suspensão e Turbidez em NTU, a qual permite transformar em CSS os valores de turbidez medidos com os sensores. Além disso, certos fabricantes prestam esse serviço de calibração quando da aquisição do sensor.

Ressalta-se ainda que há na literatura outros métodos para essa calibração do turbidímetro, citando-se o descrito em Merten et al. (2014).

2.6.2. Sensor de condutividade elétrica e temperatura da água

O sensor de condutividade elétrica e temperatura da água vem acompanhado de uma pequena escova acessória com a qual o responsável ou operador da EHS realiza a limpeza do condutivímetro. Esse sensor (Figura 66) possui uma pequena abertura em forma de canal por onde a água passa e a leitura é realizada. A limpeza é feita mediante a inserção cuidadosa da escova nesse canal.

Figura 66. Sensor de condutividade e temperatura da água, com indicação do orifício que deve ser limpo com a escova específica.

Fonte: Campbell Scientific

2.6.3. Sensor de precipitação pluvial

O sensor de precipitação pluvial ou pluviômetro exige monitoramento e verificação frequentes, caso contrário, as medidas podem ser prejudicadas. Durante cada visita ao local, remova quaisquer detritos, insetos, sedimentos etc. do funil de coleta, tela de detritos, mecanismo de sifão ou montagem da caçamba de tombamento. Verifique também se o conjunto da caçamba de tombamento se move livremente.

A manutenção do pluviômetro envolve cuidados com:

Folhas de árvores: Mesmo estando o pluviômetro afastado de árvores, pode ser que aconteça de folhas carregadas pelo vento obstruírem o funil de captação.

Fezes de pássaros: Pássaros podem assentar nas bordas e, ao defecarem, podem entupir o funil.

Insetos: Pequenos insetos podem cair dentro do funil e morrer, vindo então a entupir o funil.

Lodo ou crosta se forma na tela de proteção do funil: Poeira trazida pelo vento pode se agarrar à tela do filtro ou entrar pelo sistema de sifão. O molhamento e ressecamento podem causar a formação de uma crosta que bloqueia a passagem de água. Por sua vez, o lodo verde que se forma e seca pode causar o mesmo efeito. Quando isso acontecer, proceda à limpeza interna do pluviômetro conforme mostrado abaixo.

Retire os parafusos laterais do pluviômetro com uma chave allen (“L”) (Figura 67).

Figura 67. Sensor de precipitação pluvial, parte interna.

Fonte: Campbell Scientific.

Em seguida, retire o conjunto filtro/sifão e faça a limpeza (Figura 68 e Figura 69):

Solte o parafuso de latão;

Pressione devagar até que o canal saia do corpo do sifão;

Remova o canal;

Desbloqueie a tampa de proteção e limpe todos os itens.

Figura 68. Executando a retirada do filtro do sensor de precipitação pluvial para limpeza.

Fonte: Campbell Scientific.

Figura 69. Fazendo a limpeza do filtro.

Fonte: Campbell Scientific.

Importante: monte as peças e recoloque o conjunto filtro/sifão no lugar, tomando os mesmos cuidados anteriores.

Segundo o fabricante, o sensor é calibrado de fábrica – uma nova calibração não é necessária a menos que ocorram danos ou que os parafusos de ajuste tenham se afrouxado. No entanto, a seguinte verificação de calibração é recomendada a cada 12 meses:

Remova o conjunto do alojamento da base, removendo os três parafusos e levantando-os para cima no alojamento;

Observe pelo nível de bolha se o pluviômetro está nivelado;

Despeje água através do funil interno para molhar as duas superfícies de caçamba. Usando um cilindro graduado, despeje lentamente 314 mL de água (volume correspondente a 39 mm de chuva), durante um período de 15 minutos, no funil de coleta;

Depois que a água passa pelo pluviômetro, o balde basculante deve ter tombado 39 vezes;

Se o pluviômetro não registrar o número correto de batidas, envie o equipamento à Campbell Scientific para recalibração.

2.6.3.1. Aferição de bancada do pluviômetro

Um procedimento de ajuste e aferição dos pluviômetros também pode ser realizado, em condições de laboratório, periodicamente. Essa verificação, realizada comumente em estações pluviométricas dotadas de pluviômetros de báscula, baseia-se em séries de quatro medidas do número de basculhadas para um volume de água definido, utilizando-se uma garrafa dosadora com bicos para testes em diferentes vazões. A determinação do volume de água para uma quantidade de chuva é realizada de acordo com a área de captação do coletor; para isso, são retiradas 15 medidas do diâmetro do coletor para a verificação da área de captação, e a resolução do pluviômetro, inseridos em uma planilha que fornecerá o volume em mililitros, o qual é correspondente a cinquenta “basculadas”.

Coloca-se o valor fornecido em mililitros na garrafa dosadora e verte-se no coletor do pluviômetro, esse já conectado a um datalogger para a contagem de basculadas. Após o término, verifica-se o valor e, se preciso, ajusta-se o mecanismo (báscula) na regulagem que fica na parte inferior do pluviômetro. Repete-se o procedimento com a garrafa dosadora até que se encontre um valor aceitável.

2.6.4. Sensor de vazão tipo radar

Sob operação normal, esse sensor não necessita de manutenção. No entanto, é interessante que se verifique, pelo menos anualmente, se há algum desgaste ou dano (corrosão, trincas, cabos desgastados, braçadeiras de cabo soltas, aperto do cabo etc.) e se façam as correções necessárias. Além disso, como o sensor tem de ser mantido em nível conforme sua instalação inicial, devem-se observar eventuais ocorrências de queda de árvore ou galho sobre o tripé suporte ou sobre o próprio sensor, fazendo a limpeza e verificando se alguma alteração ocorreu na condição de instalação inicial do sensor eliminado, fato que deve ser corrigido de imediato.

2.6.5. Outras informações úteis sobre os equipamentos

O responsável, ou operador, deve possuir uma pasta com o catálogo dos sensores e datalogger e, também, todas as especificações dos sensores. Recomenda-se que cada usuário tenha consigo uma cópia dos manuais dos sensores para eventuais consultas. Para obter maiores detalhes dos equipamentos mencionados na presente publicação, pode-se acessar os links de cada um deles.

Coletor de dados CR1000: https://www.campbellsci.com/cr1000

Condutividade elétrica e temperatura da água: http://www.campbellsci.com/cs547a-l

Sensor de turbidez: https://www.campbellsci.com/obs-3plus

Sensor de precipitação pluvial: https://www.campbellsci.com/tb4-l

Sensor de umidade do solo: https://www.campbellsci.com/cs650

Contato com o fornecedor, Campbell do Brasil: manut@campbellsci.com.br

Notas

¹ A opção “New data...” coleta os dados recentes desde a última coleta, ao passo que “All data...” coleta todos os dados que estiverem armazenados na memória do datalogger. Os dados são mantidos internamente até que haja necessidade de mais espaço. Assim, os dados mais antigos são eliminados para darem espaço aos mais recentes.

² O conjunto de comandos Hayes, também conhecido como comando AT (atenção), é uma linguagem de comando desenvolvido em 1981 por Dennis Hayes para estabelecer comunicação em modems Hayes Smartmodem 300. O conjunto de comandos consiste em uma série de cadeias curtas de texto que podem ser combinadas para produzir comandos para operações tais como ligar, desligar ou mudando os parâmetros da conexão. A grande maioria dos modems dial-up usa estes comandos em inúmeras variações.

Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Comandos_Hayes

³ Em redes de computadores, o Point-to-Point Protocol (PPP), em português Protocolo ponto-a-ponto, é um protocolo de enlace de dados usado para estabelecer uma conexão direta entre dois nós. O PPP é usado sobre muitos tipos de redes físicas incluindo cabo serial, linha telefônica, linha tronco, telefone celular, enlaces de rádio especializados e enlaces de fibra ótica. Também é usado sobre conexões de acesso discado à Internet.

Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Point-to-Point_Protocol

3. Manejando os dados da EHS

A seguir, serão detalhados os procedimentos para a determinação do β e do IDE a partir dos dados obtidos nas EHS. Inicialmente serão especificados os tipos de arquivos gerados pelo datalogger e as transformações destes em arquivos do Excel.

3.1. Arquivos de dados gerados pelo datalogger

Os arquivos gerados pelo datalogger são do tipo:

“Diários”: registros mínimos e máximos de alguns parâmetros, por dia.

“Modem”: registros a cada 5 minutos feitos pelos sensores.

Nota: A nomenclatura dos arquivos pode mudar, mas a essência é ter um arquivo com dados diários e outro com dados mais discretizados.

Esses arquivos são fornecidos em formato ASCII com extensão “.dat”. Isso significa que o arquivo contém dados e essa extensão indica que o arquivo, em muitos dos casos, ainda não esteja associado a nenhum programa específico para realizar a sua abertura. Nesse caso, poderá ser escolhida a visualização como Bloco de Notas do Windows, por exemplo.

Quando for aberto, o arquivo estará em formato de texto (Figura 70). Há um cabeçalho, em que se identificam os campos, o tipo de leitura e as unidades, informações essas separadas por vírgula. Nota-se que, para expressão dos dados, é utilizado o padrão americano, sendo o ponto o separador de decimal, e a vírgula, o separador de milhar, diversamente do padrão utilizado no Brasil.

Figura 70. Arquivo “Modem” no formato “.dat” aberto em “Bloco de notas”.

3.1.1. Conversão de arquivo “.dat” em “.xlsx”

Para que os dados se tornem compreensíveis e sejam trabalhados, é necessário inicialmente convertê-los para formato Excel. Para isso, seguir os passos:

Abrir o programa Microsoft Office Excel.

Na barra de ferramentas principal, ir à aba “Dados” e selecionar “De Texto”.

Em “tipo de arquivo”, selecionar a opção TODOS OS ARQUIVOS.

Escolher o arquivo “.dat”, clicar em OK.

Aparecerá uma caixa de diálogo chamada ASSISTENTE DE IMPORTAÇÃO DE TEXTO - ETAPA 1 DE 3.

(Etapa 1) trata-se de um arquivo de texto onde os campos são separados por vírgula, selecione DELIMITADO e clique em AVANÇAR.

(Etapa 2) o tipo de delimitador que está no arquivo é vírgula, então escolha a opção VÍRGULA e clique em AVANÇAR.

(Etapa 3) o sistema numérico usado no Brasil é "," para decimal e "." para milhar. Se for aberto um arquivo que contenha um dado "1.45", por exemplo, o Excel entende automaticamente como "1,45", mas, se estiver "1.456", ele entende como 1456, o que resultaria em um dado errôneo.

Portanto, na janela dessa etapa, há uma opção chamada AVANÇADO, onde justamente se pode editar essas opções.

Clicar em CONCLUIR, os dados ficarão em forma de planilha. Para salvar, usar a opção “Salvar como” e escolher o formato Excel.

Esse procedimento deve ser realizado para cada um dos arquivos, “Diários” (dados diários) e “Modem” (dados a cada 5 min), o que resultará em dois arquivos distintos.

3.2. Interpretação das planilhas obtidas

As planilhas geradas pelo datalogger serão descritas e seu uso será discutido. No primeiro contato, a planilha de dados “Diários” parece de mais difícil compreensão em relação à planilha do “Modem". A seguir, ambas as planilhas serão discutidas detalhadamente.

3.2.1. Planilha de dados “Diários”

Seguindo a planilha linha por linha, as quatro primeiras se referem ao cabeçalho da planilha, e as demais são os dados propriamente ditos. A linha 1 indica a identificação da estação e datalogger. A linha 2 contém os dados dos parâmetros que os equipamentos da estação coletaram. A linha 3 indica a unidade de medida desses parâmetros. A linha 4, o tipo de valor, podendo ser ele mínimo (Min), máximo (Max) e total (Tot). Alguns possuem “T” na abreviação, que se refere a “time” (hora de registro).

A seguir é feita a identificação coluna a coluna (de A a Q).

(A) TIMESTAMP: data e hora limite que o equipamento considera o período para se fazer o registro. Exemplificando, já que se trata de dados diários, então para a turbidez máxima no dia 20, a data/hora que o equipamento deixa de considerar os registros do dia 20 é 21/mês/ano/00:00, ou seja, à 00:00 hora do dia 21. É importante compreender esse detalhe pois, na primeira coluna, a data consta um dia a mais do que nas demais colunas.

(B) RECORD: número de registro. É como se fosse a “identidade” do dado. Cada parâmetro terá um valor mínimo e/ou máximo. Sabendo disso, faz sentido que esses valores ocorram em horas diferentes do dia. Então, cada parâmetro registrado será acompanhado sequencialmente de uma coluna com a hora desse registro. Isso quer dizer que as colunas são organizadas de modo que primeiro é dado o valor do parâmetro e depois (na coluna seguinte) a data e horário em que foi coletado.

(C e D) Batt_Volt_Min: Tensão da bateria da estação, em Volts. O valor desse parâmetro está descrito como “min”, isso significa que o resultado é o menor valor registrado no dia.

(E e F) Distance_Max: Distância entre o sensor e a superfície da lâmina d’água, em centímetros (cm). Valor máximo registrado no dia.

(G e H) Stage_Max: Distância entre o sensor e o fundo do manancial/regato/córrego/rio, em centímetros (cm). Valor máximo registrado no dia.

(I e J) Distance_Min: Distância entre o sensor e a superfície da lâmina d’água, em centímetros (cm). Valor mínimo registrado no dia.

(K e L) Stage_Min: Distância entre o sensor e o fundo do rio, em centímetros (cm). Valor mínimo registrado no dia.

(M e N) Turb_mv_Max: Turbidez, em milivolt (mV). Valor máximo registrado no dia.

(O e P) TurbNTU_Max: Turbidez, em (NTU). Valor máximo registrado no dia.

(Q) Chuva_Tot: Total precipitado acumulado por dia, em milímetros (mm).

3.2.2. Planilha de dados “Modem”

Os dados nessa planilha se referem àqueles coletados e armazenados a cada 5 minutos. Seguindo por linha, as quatro primeiras são o cabeçalho da planilha, as demais são os dados propriamente ditos. A linha 1 é a identificação da estação e do datalogger. A linha 2 traz os parâmetros cujos dados foram coletados pelos equipamentos da estação. A linha 3 é a unidade de medida dos parâmetros. Na Linha 4, tem-se o tipo de valor, podendo ser Average (Avg), que significa “média”, ou Sample (Smp), que significa amostra. A seguir é feita a identificação por coluna.

(A) TIMESTAMP: data e hora limite em que o equipamento registrou o dado.

(B) RECORD: número de registro. É como se fosse a “identidade” do dado.

(C) Batt_Volt: tensão da bateria da estação, em Volts.

(D) PTemp_Avg: Temperatura interna média da estação, em graus Celsius (°C).

(E) Stage: distância entre o sensor e o fundo do rio, em centímetros (cm).

(F) Distance: distância entre o sensor e a superfície da lâmina d’água, em centímetros (cm).

(G) ErrorCode: código de erro do aparelho (caso haja erro).

(H) Stage_Avg: distância média entre o sensor e o fundo do manancial/regato/córrego/rio, em centímetros (cm).

(I) Distance_Avg: distância média entre o sensor e a superfície da lâmina d’água, em centímetros (cm).

(J) ErrorCode_Avg: código de erro do aparelho (caso haja erro).

(K) Turb_mv: Turbidez, em milivolt (mV).

(L) TurbNTU: Turbidez, em NTU.

(M) Turb_mv_Avg: Turbidez média, em milivolt (mV).

(N) TurbNTU_Avg: Turbidez média, em NTU.

(O) Cond: condutividade elétrica da água, em milisiemens por centímetro (mS/cm).

(P) Ct: Condutividade elétrica da água corrigida pela temperatura da água, em mS/cm.

(Q) Temp_C: temperatura da água, em graus Celsius (°C).

(R) Cond_avg: condutividade elétrica da água média, em mS/cm.

(S) Ct_Avg: Condutividade elétrica da água média corrigida pela temperatura da água, em mS/cm.

(T) Tem_C_Avg: temperatura média da água, em graus Celsius (°C).

(U) VWC: umidade volumétrica do solo, em m³/m³.

(V) EC_SOLO: condutividade elétrica do solo, em decisiemens por metro (dS/m).

(W) T_SOLO: temperatura do solo, em graus Celsius (°C).

(X) VWC_Avg: umidade volumétrica do solo média, em m³/m³.

(Y) EC_SOLO_Avg: condutividade elétrica do solo média, em dS/m.

(Z) T_SOLO_Avg: temperatura média do solo, em graus Celsius (°C).

(AA) Chuva_Tot: total precipitação pluvial, em milímetros (mm).

3.3. Selecionando o período de estudo

Trata-se aqui de definir o período de estudo ou a época em que ocorre maior concentração de eventos de chuva durante o período monitorado. Esse período depende do objetivo do estudo.

Como as planilhas são extensas, faz-se necessário organizar os dados definindo para quais épocas/meses serão trabalhados, ou identificando quando estão concentrados os períodos chuvosos e o volume pluviométrico na MBH de interesse. Uma maneira mais fácil de se visualizar essa informação é por meio de um gráfico, que será criado, mediante a utilização da planilha do arquivo Excel de valores “Diários”, seguindo os passos:

Na planilha, selecionar as colunas onde estão especificadas a data e a precipitação (p.e.: colunas A e Q, respectivamente). Para isso, clique na coluna A com o mouse, e mantenha a tecla “Ctrl” pressionada enquanto clica na coluna Q.

Clicar na aba Inserir/Gráficos/Linhas (Figura 71).

Figura 71. Inserindo Gráficos/Linhas em uma planilha do Excel.

Criar-se-á um gráfico como o da Figura 72. Nesse exemplo, o período total considerado foi de novembro/2015 até agosto/2017. Se o regime de precipitação varia de acordo com os registros de chuva, então, identifica-se visualmente os períodos com maior concentração de chuva, os quais podem ser utilizados para calcular o β e, em seguida, o IDE. Para maior detalhamento, expanda o gráfico horizontalmente.

Figura 72. Representação gráfica da precipitação ao longo do tempo.

Nota: Em vermelho destacam-se os períodos selecionados.

Os períodos selecionados para um estudo podem ser aqueles nos quais estão concentrados os maiores volumes de precipitação, no caso deste exemplo, entre os meses 11/2015 e 03/2016 e entre 10/2016 e 05/2017. Ao longo de todo o tempo de monitoramento, serão detectados os chamados períodos chuvosos (PC) e seus respectivos eventos pluviométricos (EP).

O período a ser analisado para o cálculo de β e, subsequentemente, para o cálculo do Índice de Dissipação de Erosividade (IDE), portanto, varia de acordo com o objetivo do estudo, podendo ser mais ou menos longo. Por exemplo, um β global deve envolver os registros dos meses chuvosos de todo o monitoramento de campo (a exemplo do período visualizado na Figura 68), que pode consistir em anos; em contraponto, caso seja o objetivo, pode-se obter valores β e de IDE para janelas de tempo de diferentes épocas de cultivo ou de culturas, visando estudos comparativos de efeito de cada época de cultivo ou de cultura sobre o valor de IDE.

3.4. Iniciando os cálculos para determinação do beta (β) do IDE

Com base nas equações teóricas já apresentadas anteriormente, serão descritos os procedimentos (passo a passo) para a determinação do Índice de Dissipação de erosividade (IDE). Serão utilizadas informações (figuras e dados) reais, obtidas durante o período de um mês (dezembro de 2016), em uma EHS instalada em Montividiu, GO.

Conforme se verificou no tópico 2 (“A Rede de Pesquisa SoloVivo e a metodologia adotada no monitoramento”), segundo D’Agostini et al. (2001), o coeficiente de efetividade de conversão de potencial energético em produção de sedimentos (índice β) é obtido pela Equação 1, apresentada anteriormente e repetida abaixo.

Equação 1

O trabalho gerado pela energia não dissipada (Ws) que produz o transporte de sedimentos até cursos d’água é dado pela Equação 3.

Equação 3

Para medir a massa de sedimentos (Ms), é necessário obter inicialmente a vazão do rio (Q) dada pela Equação 4.

Equação 4

Ressalta-se que o comprimento médio dos planos sobre os quais o sedimento é carreado até curso d’água (L) e o cosseno do ângulo de inclinação média do terreno (cosθ) podem ser obtidos no campo ou por meio de geoprocessamento; a largura da abertura do vertedouro (l) e a altura da soleira devem ser medidos no campo, enquanto os demais fatores para a determinação do β, e consequentemente do IDE, são obtidos pelos sensores das EHS.

Independentemente do período de estudo estabelecido, os dados a serem processados serão sempre os armazenados pelo datalogger, obtidos na frequência de cinco minutos, do arquivo “Modem”. Os cálculos de alguns fatores como H, Q, CSS e Ms são realizados diretamente na planilha original (“Dados Brutos – Modem”). Após a obtenção de H, Q, CSS e Ms, para a continuidade dos cálculos, são organizadas três tabelas. A primeira tabela (“Tabela 1”) será utilizada para organizar e determinar fatores relativos à chuva, tais como Períodos e Eventos Chuvosos, Intensidades de Chuva e Energia Cinética da Chuva (EcC/ha e EcC/MBH). Na segunda tabela (“Tabela 2”), são feitos os cálculos para determinação da efetividade do regime do fluxo de energia (“R”). E, na terceira tabela (“Tabela 3”), são compilados os dados gerais para cálculo de β e do IDE.

3.5. Vazão (Q)

Para o cálculo da vazão Q, é necessário conhecer a altura (H) da lâmina d’água que passa sobre o vertedouro. Na Figura 69, pode-se observar uma representação de sensor de vazão e vertedouro com a indicação do H (a ser determinado), a altura e a largura da soleira (Figura 73 a e b) e sensor de vazão instalado em condições de leito natural de uma nascente (Figura 73 c). Neste último caso, para obter a vazão, deve-se conhecer a largura do canal. Na Figura 74, vê-se um outro exemplo de sensores instalados em vertedouro de alvenaria.

Figura 73.Representação esquemática longitudinal do canal (a); transversal do vertedouro (b) e foto do sensor de nível da água instalado em condições de canal natural (c).

Foto: Adoildo da Silva Melo.

Figura 74. Calha e vertedouro artificiais de alvenaria, vendo-se o sensor de vazão e dispositivo de limpeza do fundo da calha.

Foto: Luís Carlos Hernani

3.5.1. Altura de lâmina d’água sobre o vertedouro (H)

É importante ressaltar que o sensor que mede a variação do nível da lâmina d’água se posiciona a montante do vertedouro. Portanto, os dados coletados pelo sensor são referentes à altura da lâmina d’água do curso d’água e não da lâmina d’água (H) que corre sobre o vertedouro. O sensor mede, simultaneamente, a distância entre a face sensora e o fundo do canal (Stage) e distância entre a face sensora e a lâmina d’água (Distance). Para obter o H, conforme a Equação 5, além dos valores de Stage e Distance, deve-se conhecer também a altura da soleira (medida entre o fundo do canal e a saída ou abertura do vertedouro).

Ressalta-se que se utilizam sempre os valores médios (Stage_Avg e Distance_Avg), obtidos a cada 5 minutos (arquivo Modem), a fim de melhor representar o período.

Observação: durante a instalação do sensor tipo radar que mede a altura da superfície e do fundo/leito da lâmina d’água, na estação, é necessário fazer a calibração do aparelho, medindo o valor do Stage em campo e fixando-o no sistema do datalogger. Caso esse procedimento não tenha sido previamente feito, ou tenha ocorrido qualquer alteração do leito do canal, uma alternativa é inserir na coluna Stage da planilha um valor padrão medido em campo.

Na planilha Excel do arquivo “Modem”, inserir uma nova coluna após a coluna da “Distance_Avg” com o cabeçalho “H” (a exemplo da Figura 75, que trata do período de estudo – “mês de dezembro de 2016”). Para isso, selecionar toda a coluna subsequente (no caso a J), clicar com o botão direito do mouse, “Inserir”. Editar a primeira célula do cabeçalho com “H”.

Inserir na célula vazia abaixo do cabeçalho (primeira linha de dados) a fórmula = (Stage_Avg - Distance_Avg - Altura soleira do vertedouro) /100, onde está incluso o fator de conversão de centímetro para metro (a divisão por 100). Substituir o que está em itálico pelas células com os dados correspondentes. A altura da soleira do vertedouro deve ser medida em campo anteriormente, em centímetros.

Para aplicar a equação em todas as células da coluna: clicar na célula que já está calculada, Ctrl+C, clicar na coluna (no exemplo é a coluna J) e Ctrl+V.

Agora, a coluna inteira da planilha está com os dados H (Figura 75). É necessário reeditar as células do cabeçalho das primeiras linhas da coluna que tenham sido alteradas para “#VALOR!”.

Figura 75. Calculando a altura da lâmina d’água sobre o vertedouro (H) na planilha do arquivo “Modem”.

A fórmula para o cálculo da vazão varia de acordo com as condições específicas de cada estação de monitoramento. Na MBH exemplificada neste texto, particularmente, o vertedouro utilizado é retangular de parede delgada. Portanto, foi utilizada a Fórmula de Francis (Equação 4).

Como se ressaltou anteriormente, l é a largura da abertura do vertedouro (cm), um valor fixo medido previamente em campo, e H é a altura da lâmina d’água sobre a soleira do vertedouro (m), cuja determinação foi acima demonstrada (Figura 75).

Dessa forma, ainda na planilha de dados do arquivo “Modem”, prosseguir:

Inserir uma nova coluna com cabeçalho Q imediatamente posterior à coluna com o cabeçalho H (Figura 76).

Aplicar, na primeira célula vazia abaixo do cabeçalho, a fórmula =1,838*l*(H^(3/2)), onde l (em não havendo vertedouro, o l deve ser substituído pela medida da largura do canal natural) é o valor em metros medido em campo, e H é a célula correspondente na mesma linha da coluna anterior (no caso, a coluna J da Figura 76).

Para aplicar a equação em todas as células da coluna: clicar na célula que já está calculada, Ctrl+C, clicar na coluna e Ctrl+V.

Figura 76. Inserindo nova coluna na planilha do arquivo “Modem” para calcular a vazão Q.

3.6. Concentração de sedimento em suspensão (CSS)

Observação: Enfatiza-se a necessidade de prévia calibração em laboratório para determinação da curva de relação entre o sinal de turbidez e CSS.

Tendo-se a equação de relação Turbidez x CSS, basta inserir na planilha do arquivo “Modem”, após a coluna da “TurbNTU_Avg”, uma nova coluna com o cabeçalho “CSS”. Mais uma vez, aplicar a fórmula da equação nas células dessa nova coluna (no caso do exemplo: = 4,6302 * P3) sendo “P” a coluna com os valores de “TurbNTU_Avg” (Figura 77).

3.7. Massa de sedimentos (Ms, em kg)

A Massa de sedimentos (Ms), em kg, é calculada pela Equação 8, e a seguir são demonstrados os procedimentos a serem adotados:

Na planilha de dados “Modem”, após a coluna do CSS, inserir uma nova coluna (coluna R da Figura 77) com cabeçalho “Ms”;

Aplica-se na primeira célula vazia abaixo do cabeçalho a fórmula =Q*CSS*0,3. Sendo Q e CSS as células de dados correspondentes a esses fatores na mesma linha (coluna K e coluna Q, respectivamente, da Figura 77), e 0,3 é o fator de conversão (da Equação 8 apresentada anteriormente no tópico 2.1.1 ("O trabalho gerado pela energia não dissipada (Ws)”). O produto entre Q e CSS resulta em descarga sólida, em g s⁻¹, que equivale à quantidade em massa de sedimentos que está sendo transportada pelo volume d’água em um período de tempo. Para excluir o fator temporal e obter apenas a massa de sedimentos, multiplica-se o resultado da descarga sólida pelo tempo equivalente. Nesse sentido, se cada registro se refere a um intervalo de 5 minutos, o que equivale 300 segundos, multiplica-se a descarga sólida pelo tempo (*300). Ao se juntar à conversão da unidade de medida de gramas para quilogramas (/1000), resulta a multiplicação final por 0,3 (*0,3).

Para a replicação da fórmula a todas as células da coluna “Ms”, clicar Ctrl+C na célula que já está calculada, selecionar toda a coluna e clicar Ctrl+V.

Figura 77. Inserindo as colunas CSS e Ms na planilha de dados “Modem”.

O resultado da massa de sedimentos (Ms) obtido pelo somatório dos valores individuais de todo o período de estudo vai então ser posteriormente organizado na “Tabela 3”, a ser discutida posteriormente.

3.8. Caminhamento médio dos sedimentos (L, m)

O caminhamento médio dos sedimentos (L) é calculado de acordo com o proposto por Villela e Mattos (1975), apresentado e demonstrado nas Equações 6 e 7.

Esse fator, diferente dos demais fatores calculados até então, não depende dos dados da estação hidrossedimentológica. É um parâmetro fisiográfico calculado a partir da área de influência da nascente monitorada, a da MBH. Embora o procedimento para determinar a área de influência não seja aqui sistematizado, pode ser dimensionado a partir de sistemas de informação geográfica (SIG). Isso significa que, uma vez obtida a área, basta abrir, no Excel, nova aba e inserir em uma célula a função =2*RAIZ(A/6,2832), substituindo o termo A pela área da MBH, em m², obtendo-se L (o caminhamento médio dos sedimentos). Esse resultado deve ser salvo e reservado para ser inserido em tabela a ser organizada posteriormente.

3.9. Cosseno do ângulo de inclinação média da microbacia (cosθ, °)

Nesta etapa, o ângulo médio de inclinação do terreno da área de influência da MBH já deve ter sido determinado. Essa determinação, assim como no caso da área da bacia, deve ser obtida por meio do processamento de imagem em softwares de informação geográfica ou outro método que permita chegar a esse resultado. De posse desse ângulo, em graus, pode-se, no Excel, determinar o cosseno, o seno e a declividade média do terreno (neste caso, usando a função “arctan”) do ângulo de inclinação média.

O Excel só reconhece ângulo em radiano (rad), portanto deve ser feita a conversão de graus para radiano para calcular o cosseno do ângulo.

Para essa conversão utilizar a fórmula =COS(θ*PI()/180), onde θ é o ângulo de inclinação média da bacia e PI() é a forma de expressar o  na planilha Excel.

Observação: os dados gerados para os fatores área da bacia (A), caminhamento médio dos sedimentos (L) e ângulo de inclinação média da bacia (θ) serão posteriormente compilados no Excel em uma tabela (“Tabela 3”), a ser apresentada e discutida posteriormente.

3.10. Energia cinética do escoamento (EcE)

EcE é a energia (J) máxima possível no processo de conversão de coordenadas mecânicas sobre um plano inclinado perfeitamente liso e será calculada por meio da Equação 9:

Equação 9

3.11. Massa de água potencialmente passível de escoar superficialmente (Ma, kg)

A massa de água (Ma) será calculada utilizando a Equação 10.

A altura da lâmina de precipitação (h) é o somatório total de chuva do período em estudo. Então, basta multiplicar a soma da coluna “Chuva_Total” (a unidade em "mm" deve ser transformada em "m") pela área da MBH e pela densidade da água (ρa), esta definida como 1.000 kg/m³. Desse modo, em célula do Excel, usar a função =(SOMA(X:Y)/1000)*A*1000, onde X e Y representam respectivamente a primeira e última célula referente à coluna dos dados de chuva dentro do período de estudo definido, na planilha “Modem”.

O resultado obtido para a Ma (em kg)deve ser registrado na planilha “Tabela 3”, a ser apresentada e discutida posteriormente.

3.12. Cálculo do Seno do ângulo de inclinação média da bacia (sen² θ, °)

Para converter o ângulo θ de graus para radiano e, então, obter-se o sen² θ, basta inserir em uma célula específica do Excel a fórmula =SEN(θ*PI()/180)^2, onde θ é o ângulo de inclinação média da bacia.

O resultado então obtido será inserido na “Tabela 3”, a ser discutida posteriormente.

3.13. Organizando a “Tabela 1”

Apresenta-se a seguir a criação, a partir dos registros do datalogger (arquivo Modem), da “Tabela 1” para seleção de períodos chuvosos (PC), eventos (EC) e cálculos de intensidade de chuva (média, máxima e duração), energia cinética da chuva (EcC) e parte da efetividade mecânica do regime do fluxo de energia na água (R).

3.13.1. Períodos chuvosos (PC) e eventos pluviométricos (EP)

Conceitualmente, um período chuvoso (PC) é definido como um ou mais eventos pluviométricos (EP) separados por intervalos não maiores do que 6 horas, sendo o evento pluviométrico um registro contínuo de precipitação. Todos os eventos pluviométricos devem ser considerados, mesmo quando não se observe turbidez associada. Pois, mesmo que não se possa verificar trabalho erosivo produzido pela energia associada a um determinado evento (por ser curto e pouco intenso), não significa que não tenha fluído energia sobre a extensão de interesse. Apesar de β (base de cálculo do IDE) ser resultante do quociente entre o trabalho gerado e a energia que entra no sistema (a microbacia), pode ser que a energia de uma chuva seja muito pouca para gerar trabalho. Nesse caso, não produzindo trabalho erosivo significativo, também pouco significaria na composição do denominador (energia).

Em uma nova aba no Excel será construída a “Tabela 1”:

Copiar a linha de discriminação dos fatores (linha 2) do cabeçalho da planilha “Modem”. Criar uma nova aba/planilha no Excel, onde será construída a “Tabela 1”, e colar o cabeçalho na primeira linha.

Copiar todos os dados registrados do período considerado, no caso, um mês inteiro, do arquivo “Modem” (Iniciando de 00:00h do dia 1º e terminando às 23:55h do último dia do mês) para a nova aba/planilha, a “Tabela 1” (Figura 78).

Exclua todas as demais colunas, exceto as colunas TIMESTAMP, RECORD e Chuva_Tot.

Inserir depois da coluna RECORD uma nova coluna para Período Chuvoso (PC) e outra para Eventos (EP).

Descer a planilha percorrendo a coluna de Chuva_Tot até aparecer algum registro de precipitação.

No primeiro registro a aparecer, enumerar “1” nas colunas de PC e Eventos. Observar que, quando os registros de chuva são consecutivos, considera-se que esses registros são parte do mesmo evento. Havendo ausência de chuva (valor 0), mesmo por apenas 5 minutos, considera-se o próximo registro de chuva como um novo evento dentro do mesmo PC. Se esse último evento estiver separado do anterior por mais de 6 horas, então se considera que este é o primeiro evento de um novo PC. Geralmente dentro de um PC podem existir um único ou vários eventos.

Dessa forma, enumere PC e evento para o restante da “Tabela 1” (no caso específico, o período de um mês, dez/2016).

Figura 78. “Tabela 1” iniciando a enumeração de períodos chuvosos (PC) e eventos chuvosos (Evento).

Após concluir esse processo, os períodos chuvosos e respectivos eventos já estarão discriminados, porém ainda haverá vários valores vazios (precipitação zero) inseridos entre eles. Os passos seguintes consistem em obter apenas os dados de interesse que serão utilizados para o restante dos cálculos, ou seja, separa-se os dados positivos de chuva dos demais valores zero.

Adicionar filtro no cabeçalho da tabela: Página inicial> Classificar e Filtrar>Filtro, conforme Figura 79.

Figura 79. Adicionando filtro de dados.

No filtro da coluna E (Chuva_Tot), selecionar apenas valores “0” e clicar OK (Figura 80).

Figura 80. Filtrando apenas os valores “0” na “Tabela 1”.

Após selecionar, excluir todas as linhas com as células “0” da coluna E.

No filtro da coluna Chuva_Tot, clique em selecionar tudo > OK.

Tire o filtro do cabeçalho clicando novamente no ícone “filtro”, mostrado nos passos 8 e 9.

Agora, tem-se na “Tabela 1” apenas os dados com registros de chuva já com PC e eventos numerados. Nessa mesma tabela, serão realizados os próximos cálculos para determinação do EcC e dos parâmetros relativos ao R.

3.14. Energia cinética da chuva (EcC)

A energia cinética (t m ha⁻¹ cm⁻¹ de chuva) é dada pela equação

Equação 11

em que i é intensidade de chuva (cm h⁻¹).

O resultado obtido por essa equação deve ser multiplicado por 0,0098 e pela lâmina de chuva (em cm) h para transformar em MJ ha⁻¹. Logo,

Equação 12

Para se aplicar a equação acima e obter a EcC, para cada evento chuvoso, serão realizados, na “Tabela 1”, os três passos seguintes.

3.14.1. Intensidade (i, cm h-1)

A intensidade da chuva é calculada para cada registro de chuva. Os dados estão em milímetros e minutos; assim, o cálculo da intensidade é efetuado juntamente com a conversão para cm h⁻¹ pela função = (célula de lâmina d’água/10) / (5/60), conforme os procedimentos seguintes, representados na Figura 81.

Inserir uma coluna para intensidade (i) após a coluna de Chuva_Tot (conforme o exemplo anexo, o nome da coluna Chuva_Tot foi substituído por lâmina), na mesma planilha criada anteriormente (“Tabela 1”).

Na primeira célula abaixo do cabeçalho, inserir a função = (célula de lâmina d’água/10) / (5/60). No caso, a célula de lâmina d’água é a E4 da mesma linha, ou seja, = (E4/10) / (5/60).

Arrastar a célula calculada para o restante da coluna para que o programa aplique automaticamente a função nas demais células (Figura 81).

Figura 81. Inserindo “i” na coluna F da “Tabela 1” para cálculo da intensidade de chuva.

Uma vez calculada a intensidade, é possível fazer o mesmo para EcC, conforme os dois passos seguintes. Primeiro, é utilizada a Equação 11 que gera o resultado por hectare. Posteriormente, estima-se a EcC da MBH em sua totalidade, apresentadas no item a seguir.

3.14.2. EcC por hectare (MJ ha-1)

Inserir, na “Tabela 1”, uma coluna para a energia cinética da chuva por hectare, EcC (MJ ha-1), conforme Figura 82.

Aplicar, na primeira linha de dado da coluna (ex.: célula G4 na Figura 82), a função =((210,3+(89*(LOG10(intensidade))))*(lâmina/10))*0,0098, substituindo os termos em itálico pelas células correspondentes (Figura 82).

Copiar a função para as células abaixo do restante da coluna.

Figura 82. Inserindo a coluna e determinação de EcC na “Tabela 1”.

O passo seguinte é calcular a energia cinética da chuva (EcC) para a MBH, cujos passos são demonstrados a seguir.

3.14.3. EcC da MBH (MJ)

Inserir, na “Tabela 1”, uma nova coluna, após a coluna EcC (MJ ha⁻¹), para o cálculo da energia cinética da chuva para toda a microbacia hidrográfica, EcC MBH (MJ).

Aplicar, na primeira célula da coluna, a função =EcC * área em hectares da MBH, a qual resulta do produto entre EcC (Mj ha⁻¹), que é a célula da coluna anterior, e a área total de influência da microbacia hidrográfica em hectares (determinado anteriormente por técnicas de geoprocessamento e SIG).

Observação: a área (A) utilizada anteriormente está em m², é necessário converter para hectares para aplicar na função dessa etapa.

Arrastar essa fórmula para as demais células abaixo até o restante da coluna.

3.15. Efetividade mecânica do regime do fluxo de energia (R)

Qualquer que seja a passagem temporal, a efetividade mecânica do regime do fluxo de energia na água (R) será calculada a partir de cada período chuvoso (PC), individualmente, conforme Equação 13, apresentada e demonstrada no tópico  (O Coeficiente de efetividade mecânica (R)). Isso quer dizer que, para cada PC, tem-se um R e, em um longo período de estudo, têm-se vários valores de R.

Sabendo dos dados necessários para o cálculo do R (que será feito na “Tabela 2”), em primeiro momento será calculado “(imp/imáx) * t”, ou seja, (intensidade média ponderada / intensidade máima de precipitação)* tempo de duração da cada evento chuvoso, conforme os passos seguintes:

Inserir, na "Tabela 1" (Figura 83), uma nova coluna na planilha após “EcC MJ”, com cabeçalho (imp/imáx) * t ou (imp/imáx) * duração.

A função utilizada é =(MÉDIA(X:Y)/MÁXIMO(X:Y))*t, onde X e Y são, respectivamente, a primeira e última célula dos dados de intensidade de cada evento; t é o tempo de duração de cada evento, em minutos. Para definir esse “t”, basta multiplicar a quantidade de registros de cada evento por 5. Por exemplo, se no evento há 6 linhas de registros, e cada registro é feito a cada 5 minutos, então a duração do evento é igual a 30 minutos. A função deve ser aplicada para todos os eventos em todos os períodos chuvosos.

Exemplificando, na Figura 83, as funções dos eventos do período chuvoso 1 (PC 1) foram:

Evento 1 =(MÉDIA(F4:F5)/MÁXIMO(F4:F5))*10 = 10

Evento 2 =(MÉDIA(F6)/MÁXIMO(F6))*5 = 5

Evento 3 =(MÉDIA(F7:F21)/MÁXIMO(F7:F21))*75 = 50

Figura 83.Inserindo a “(imp/imax) * duração”, na planilha Excel (“Tabela 1”).

Nota: A intensidade média ponderada (imp) se dá pela média aritmética, já que todos os dados de intensidade possuem a mesma duração de 5 minutos.

Essa é uma etapa relativamente trabalhosa, já que é feita para cada evento individualmente. Caso o mês/período de estudo possua muitos eventos, então o tempo demandado para realizar essa operação é um pouco maior. O fato de os eventos não possuírem a mesma quantidade de células não permite o programa fazer o cálculo automático. Porém, uma possibilidade que deixa o processo um pouco mais ágil é copiar a célula com a função para o próximo evento, dar um duplo clique e ajustar a demarcação azul para as células desse evento, substituindo também o t correspondente.

3.15.1. Organizando a “Tabela 2”

Na mesma planilha e ao lado da “Tabela 1”, cria-se uma nova tabela (“Tabela 2”), ver Figura 84. Nessa tabela, os dados são organizados para gerar o resultado final para o R. Os cabeçalhos das colunas e suas respectivas instruções de cálculo são:

PC: enumerar nas linhas abaixo os períodos chuvosos existentes nesse mês.

teventos ("teven", na Figura 84): o objetivo é saber o tempo que de fato choveu em cada PC, lembrando que na “Tabela 1” estão todos os registros de chuva existentes em cada período (PC) e que cada registro é referente a cada 5 minutos, então o teventos é o número de linhas existentes no PC multiplicado por 5.

ttotal ("ttot", na Figura 84): Já que um PC pode não ser composto por uma única chuva contínua, mas ao contrário, na maioria dos casos, há um intervalo entre eventos, o tempo de eventos não representa o tempo total. O ttotal é a duração total do período chuvoso, ou seja, o tempo demandado entre o primeiro e último registro de precipitação dentro do PC.

Observando a primeira coluna da “Tabela 1” (data e hora), calcular em minutos o tempo decorrido do início até o final do PC. Somar 5 minutos ao resultado, uma vez que os registros dos equipamentos da estação pelo datalogger se referem ao acumulado dos 5 minutos anteriores.

No exemplo da Figura 83, o ttotal do PC1 é contabilizado de 00:10 a 01:55 (105’), o que resulta em 110 (105+5=110’) minutos (anotado na Coluna Q da "Tabela 2"/Figura 84).

R: Os termos que compõem o R, (imp/imáx)*ttotal, teventos e ttotal, já estão calculados. Portanto, a equação do R consiste em realizar operações matemáticas com os resultados obtidos, lembrando que para cada PC existe um R, assim para cada linha deve-se aplicar a função =((SOMA(I4:I21))/P4)*(P4/Q4), função essa específica para o caso do exemplo do PC 1. Nesse caso, é feito o somatório de (imp/imáx)*ttotal (coluna I da “Tabela 1”, Figura 83) referente ao PC 1 (coluna C da “Tabela 1”, Figura 83), assim como na Equação 14. Nessa função, as colunas P e Q ("Tabela 2", Figura 84) representam teventos e ttotal do PC, respectivamente.

Para cada chuva, tem-se uma quantidade de energia e um R respectivo. Logo, numa longa análise de dados, teremos várias quantidades de energia e respectivos R, nesse exemplo o tempo é de apenas um mês. Para obter o R final do "longo" período, pondera-se R pela quantidade de energia que fluiu. Para tanto, basta fazer um somatório de produtos entre cada R e quantidade de energia correspondente, dividindo tudo pelo somatório de energias das diferentes chuvas.

Sendo assim, tal processo é feito por etapas, sendo que primeiramente se obtém o acumulado de EcC por PC, depois a multiplicação de cada R por seu respectivo ECC. Faz-se o somatório dos resultados desses dois fatores e se obtém o quociente entre eles.

EcC MBH: Nessa nova coluna, a EcC MBH de cada PC é dada pela soma dos valores de EcC (MJ) da “Tabela 1”, ex.: para o período de n° 1 (PC 1) da “Tabela 2”, aplica-se a função =SOMA(H4:H21), a qual soma os valores das células de EcC MJ (da MBH) do PC 1 da “Tabela 1”. Isso é repetido para cada PC, sempre considerando as células (H) correspondentes a cada PC da “Tabela 1”.

R*EcC MBH: Nessa nova coluna, multiplica-se cada R por sua respectiva EcC MBH acumulada, calculada anteriormente. A equação =R4*S4, baseada na Figura 84, obtém o produto para o PC1. Feito o primeiro PC, arraste a equação da célula para as demais abaixo até o último PC para colar o cálculo.

Na última linha (linha 21) da ”Tabela 2” (Figura 84), fazer o somatório para “EcC MBH” e “R * EcC MBH”. No exemplo, utilizou-se a função soma =SOMA(S4:S20) e =SOMA(T4:T20), respectivamente. O R do período considerado (um mês, no caso, dezembro de 2016), e que é então utilizado na equação de β, resulta da divisão desses somatórios (=T21/S21), R dezembro de 2016 = (R * EcC MBH)/ EcC MBH.

Figura 84. Cálculo de R para o período considerado “Tabela 2”.

Até aqui, todos os termos necessários para o cálculo de β estão finalizados.

3.16. Organizando a “Tabela 3” para determinar o β e o IDE

A “Tabela 3” (Figura 85) conterá a compilação de todos os termos ou fatores necessários ao cálculo de β e IDE. Conforme foi adiantado em item anterior, a determinação de β é obtida por meio da Equação 1. Após a determinação de β para o período do estudo, aplica-se a Equação 2, adotando-se neste caso v = 2, para se obter o IDE do período de estudo considerado, conforme mostra a Figura 85 (“Tabela 3”).

Na “Tabela 3”, Figura 85, tem-se:

Pm = a soma dos valores de precipitação para o período considerado (no ex. um mês) dada em "mm" ("Tabela 1", Figura 83) e transformados em "m";

A = a área da microbacia e a inclinação média do terreno da microbacia (ϴ) devem ser obtidas por processos topográficos e ou de geoprocessamento, procedimentos aqui não detalhados;

L = o caminhamento médio dos sedimentos, dado por L= 2*RAIZ(A/6,2832);

ϴ = no Excel, a inclinação média em grau (°) ou % deve ser transformada em radianos; para o sen2ϴ =SEN(θ *PI()/180)^2 e cosϴ=COS(θ*PI()/180);

Ma = Pm * A * ρa (onde ρa é a densidade da água);

Ms = somatório de todos os resultados individuais de Ms do período considerado (da planilha MODEM);

Ws = Ms * L * g * cosϴ;

EcC = somatório de EcC para a microbacia ("Tabela 2", Figura 84);

EcE = Ma * L * g * sen2ϴ;

R = coeficiente de efetividade mecânica para o período considerado dado por R=∑R*EcC MBH/∑EcC MBH ("Tabela 2", Figura 84).

Figura 85. “Tabela 3” com a compilação de fatores usados no cálculo do β e do IDE

Fonte: Ortolan et al (2019).

4. Interpretando o IDE

Quanto mais próximo da unidade for o resultado do IDE, mais eficiente deverá ser considerado o desempenho ambiental e, portanto, a gestão das áreas inseridas em uma dada bacia hidrográfica.

Os resultados obtidos para o mês de dezembro de 2016 para uma MBH da região de Montividiu (GO), apresentados na Figura 85, foram discutidos por Ortolan et al. (2019). Trata-se aqui, claramente, de uma avaliação piloto para um período restrito de tempo. Na MBH avaliada, há arranjos produtivos com sistemas de produção de grãos e fibras (soja, milho e algodão) conduzidos em Sistema Plantio Direto há mais de 15 anos. Nas safras 2013/2014, 2014/2015 e 2015/2016, o manejo do solo, água e culturas foi considerado de boa qualidade (ausência de preparo de solo, sem evidências de erosão superficiais ou em sulcos, semeadura e tratos culturais em nível, padrão das práticas conservacionistas excelente em toda a área com conservação de carreadores e de estrada e projeto de terraceamento muito bem instalado e conservado, produtividades elevadas e boa rentabilidade). Além disso, verifica-se adequada manutenção da área de proteção da nascente monitorada.

O IDE de ~0,93, aqui obtido, está altamente correlacionado com o manejo conservacionista conduzido pelos agricultores das áreas agrícolas nessa MBH. Esse resultado sugere que a gestão da terra nessa MBH proporcionou elevada dissipação da erosividade das chuvas ocorridas naquele mês, pois 93% da erosividade da chuva que incidiu sobre aquela MBH foi dissipada e apenas 7% desta pode ter gerado algum escoamento ou erosão com carreamento de sedimento para o manancial. Esse valor do IDE também se correlaciona positivamente com o índice de qualidade participativo do plantio direto (IQP), que segundo Martins et al. (2018) atingiu 8,1 indicando ser de Boa Qualidade o nível de manejo adotado nessa MBH. Estudos de Gonçalves (2019) realizados em áreas de microbacias manejadas em plantio direto sob irrigação de Itaí (SP) também mostraram alta correlação entre o IDE e IQP. Portanto, ainda que necessite de uma validação mais ampla e consistente em outras situações e áreas, o IDE pode ser considerado um índice altamente promissor para avaliar o desempenho ambiental em microbacias hidrográficas.

Considerações finais

As considerações que se seguem não se referem à fundamentação da proposição do IDE, mas a demandas e cuidados em sua operacionalização. O IDE tem por finalidade avaliar a qualidade do manejo do solo, bem como de toda a extensão de terra envolvida, aí incluídas as áreas de preservação vegetal, as estradas e os mananciais. Portanto, a obtenção do IDE seria mais comumente referente a áreas relativamente extensas (dezenas, centenas ou milhares de hectares). Isso tudo implica a necessidade de instalar e manejar equipamento de porte e complexidade que, além de custoso, pode exigir cuidados especiais em sua instalação, operação e manutenção. Na experiência vivida nos trabalhos da RPSV, em microbacias de 1ª ordem, ficaram evidentes algumas dificuldades operacionais, em especial em assegurar contínuo fornecimento de energia a partir de placas fotovoltaicas e baterias, executar a instalação e manutenção de vertedouros, evitar a perda de sensores por enxurradas de chuvas torrenciais e evitar efeitos danosos de descargas elétricas, entre outras dificuldades. Além disso, para melhor estabelecer o valor médio de IDE, passível de ser correlacionado a outros índices, é recomendável pelo menos 5 anos de dados coletados, tratados e calculados. Ao ser o IDE significativamente correlacionado a parâmetros cuja determinação seja relativamente mais rápida, fácil e menos custosa, o processo de avaliação da qualidade do desempenho ambiental ou da gestão de solo e água no âmbito de bacias hidrográficas poderá ser ainda mais facilitado. E, neste sentido, essa deve ser considerada uma ferramenta altamente promissora.

Referências

AGÊNCIA NACIONAL DE ÁGUAS. Manual operativo do Programa Produtor de Água. Brasília, DF: ANA, 2003. 60 p. Disponível em: <http://produtordeagua.ana.gov.br/Portals/0/DocsDNN6/documentos/MANUAL%20OPERATIVO%20-%20PROGRAMA%20PRODUTOR%20DE%20%C3%81GUA.pdf>. Acesso em: 22 dez. 2019.

CHAVES, H. M. L.; BRAGA JUNIOR,R. B.; DOMINGUES, A. F.; SANTOS, D. G. Quantificação dos benefícios e compensações do “Programa do Produtor de Água” (ANA): I. Teoria. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 9, n. 3, p. 05-14, 2004a.

CHAVES, H. M. L.; BRAGA, B.; DOMINGUES, A. F.; SANTOS, D. G. Quantificação dos benefícios e compensações do “Programa do Produtor de Água” (ANA): I. Aplicação da Metodologia. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 9, n. 3, p. 15-21, 2004b.

D'AGOSTINI, L. R. Erosão: o problema mais que o processo. ;Florianópolis, SC: UFSC, 1999. 131 p.

D’AGOSTINI, L. R.; CUNHA, A. P. P. Ambiente. Rio de Janeiro, RJ: Garamond, 2007. 188 p.

D’AGOSTINI, L. R.; DENARDIN, J. E.; J. LEMAINSKI. Índice de dissipação de Erosividade. Passo Fundo, RS: Embrapa Trigo, 2017. 19 p. (Embrapa Trigo. Documentos online, 175).

D'AGOSTINI, L. R.; MARTINI, L. C. P; SCHLINDWEIN, S. L. Índice-indicador de desempenho ambiental: uma metodologia integradora de perspectivas no controle da erosão. In: SIMPÓSIO NACIONAL DE CONTROLE DE EROSÃO, 7., 2001, Goiânia, GO. Anais dos trabalhos completos. Goiânia, GO: Associação Brasileira de Geologia de Engenharia e Ambiental, 2001. 1 CD-ROM.

GONÇALVES, A. O. Caraterização hidrossedimentológica e sua relação com o índice de qualidade participativo do plantio direto, na bacia do Alto Paranapanema-SP. 2019. Tese (Doutorado em Engenharia de Sistemas Agrícolas) – Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz, Universidade de São Paulo, Piracicaba, 2019. DOI: 10.11606/T.11.2020.tde-22012020-095632. Acesso em: 2020-05-12.

MARTINS, A. L. da S.; CONTE, O.; OLIVEIRA, P. de; DOSSA, A. A.; DEBIASI, H.; FRANCHINI, J. C.; HERNANI, L. C.; RALISCH, R.; LEONARDO, H. C. L.; LUNARDI, L.; SALTON, J. C.; TOMAZI, M.; PITOL, C.; DE BONA, F. D.; BOEIRA, R. C. Avaliação ex ante do Índice de Qualidade Participativo do Plantio Direto (IQP) com produtores do Centro-Sul do Brasil. Rio de Janeiro: Embrapa Solos, 2018. 52 p. il. color. (Embrapa Solos. Documentos, 203). https://www.embrapa.br/busca-de-publicacoes/-/publicacao/1104307/avaliacao-ex-ante-do-indice-de-qualidade-participativo-do-plantio-direto-iqp-com-produtores-do-centro-sul-do-brasil

MERTEN, G. H.; MINELLA, J. P. G.; HOROWITZ, A. J.; MORO, M. Determinação da concentração de sedimentos em suspensão em rios com uso de turbidímetros. Porto Alegre, RS: Edição do Autor, 2014. 97 p.

ORTOLAN, B.; HERNANI, L. C.; GAZOLLA, A. P.; GONÇALVES, A. O.; D’AGOSTINI, L. R. Índice de dissipação de erosividade para o mês de dezembro de 2016 em microbacia de Montividiu, GO. In: WORKSHOP DA REDE DE PESQUISA SOLOVIVO, 2018, Curitiba, PR. Indicadores de qualidade de gestão de áreas com sistema plantio direto: palestras e resumos. Rio de Janeiro, RJ: Embrapa Solos, 2019. E-book. (Embrapa Solos. Documentos, 212). Disponível em: <http://ainfo.cnptia.embrapa.br/digital/bitstream/item/210167/1/CNPS-DOC-212-2019.epub>. Acesso em: 6 fev. 2020.

VILLELA, S. M.; MATTOS, A. Hidrologia aplicada. São Paulo, SP: McGraw-Hill, 1975. 245 p.

WISCHMEIER, W. H.; SMITH, D. D. Predicting rainfall erosion losses - a guide to conservation planning. Washington DC: United States Department of Agriculture, 1978. (United States Department of Agriculture. Agriculture Handbook, 537).