Construção e avaliação de protótipos de pluviômetros vetoriaispara estimar o impacto das chuvas sobre encostas

Thiago Oliveira Lima1

Hildeu Ferreira da Assunção2

Alessandro Martins3

1 Universidade Federal de Goiás, Campus Jataí, BR - 364 Km 192, n. 3800, Setor ParqueIndustrial – Jatai – GO, thiagojti@gmail.com2 Universidade Federal de Goiás, Campus Jataí, Rua Riachuelo, 1530, Bairro Samuel Graham,Jataí – GO, Brazil, hildeu@yahoo.com.br3 Universidade Federal de Goiás, Campus Jataí, BR - 364 Km 192, n. 3800, Setor ParqueIndustrial – Jatai – GO, aless_martins@yahoo.com.br

Abstract: Our objectives are to develop and build two prototypes of rain's vector gauges,with low cost materials and evaluate them. Rain's vector gauges are rare instruments, whichare valuable for climatological studies of erosion, environmental planning and civilconstruction.

Palavras-chave: Agrometereologia, pluviômetro, pluviômetro vetorial, inclinação da chuva

1. INTRODUÇÃO

Segundo Nimer (1989), a região Sudoeste do Estado de Goiás está sujeita a doissistemas de circulação atmosférica:

1) Sistema de Correntes perturbadas de Oeste, invadida por ventos de W e NWtrazidos pelas linhas de instabilidade tropicais, acarretando chuvas e trovoadas, entre o finalda Primavera e o início do Outono;

2) Sistema de Correntes perturbadas do Sul, representada pela invasão do anticiclonepolar, provocando chuvas frontais e pré-frontais durante o verão. Evidências confirmadas porAssunção et al. (2004, 2005), que notaram durante alguns meses de verão e outono em Jataí-GO, uma direção predominante das chuvas no quadrante S e W.

Geralmente as chuvas frontais estão associadas ao vento, que conforme a sua velocidadeconfere às gotas uma trajetória inclinada. Os impactos cinéticos provocados pelas gotas daschuvas sobre o solo estão associados à direção, à inclinação e à intensidade das chuvas(LIMA, 2000), os quais são parâmetros relevantes ao estudo da erosão do solo (FAO, 1997), etambém imprescindíveis, sob alguns aspectos, em projetos de edificação (LITTLEFAIR,2001).

Crockford et al. (1991) relatam que, em 1932, Pers desenvolveu um dispositivo chamadode pluviômetro vetorial, consistindo de 4 orifícios verticais voltados para os quatro pontoscardeais e um quinto orifício com área de captação horizontal. Após esta invenção, diversosautores adaptaram o protótipo de Pers para medir tanto o ângulo de inclinação das chuvascomo a direção da mesma.

Em terreno plano, a captação das gotas de chuva pelo pluviômetro independe dainclinação de queda das gotas. Em regiões de topografia acentuada, todavia, a instalação dopluviômetro na posição vertical (abertura cilíndrica no plano horizontal) vai afetar a captação,tanto em função da declividade do terreno, quanto em função do ângulo de inclinação dachuva (LIMA, 2000).

Crockford et al. (1991) compararam duas baterias de três pluviômetros vetoriais comcaptadores de 45 e 30° e encontraram diferenças consideráveis entre eles. Estes autores

também notaram que até mesmo a proximidade entre os medidores (30 cm, por exemplo)pode sofrer efeitos da turbulência acima e ao redor deles, afetando assim a captura da chuva.

Segundo Crockford et al. (1991), em alguns casos, o anemógrafo e o pluviógrafo juntos,além de não serem suficientes para estimar a direção predominante das chuvas, para umdeterminado local, nem sempre o pesquisador tem estes instrumentos à disposição.

Assunção et al. (2006), trabalhando com pluviômetros vetoriais, associaram a inclinaçãomédia de chuvas contínuas com duração máxima de 1 hora, com as medidas de velocidademédia do vento dentro do mesmo intervalo e encontraram a seguinte relação linear para Jataí-GO:

u = (1,2 + 0,029i) m/s (1)

De acordo com Lima (2000), a velocidade terminal das gotas da chuva (vr) pode serestimada a partir da velocidade do vento (u) e da inclinação (i) da trajetória de queda dasgotas, a qual é dada por:

Vr = (2)

Assim, a energia cinética, em Joule, das gotas da chuva sobre o solo, matematicamente podeser expressa da seguinte forma:

εc = Joules (3)

onde m é a massa da precipitação pluviométrica, em kg m-2 (L m-2=mm).A precipitação pluviométrica, m=Pα, interceptada por uma encosta, com declividade

α e com azimute ω, segundo Assunção et al. (2006), fica estabelecida como:

Pα (i, Ω) =P (4)

Os modelos para estimativa da direção (Ω) e da inclinação (i) das chuvas desenvolvidopor Assunção et al. (2004) são:

Ω = arctan (5)

e

Ω = arctan (6)

onde β é a inclinação do pluviômetro vetorial (45°), P é a precipitação medida por umpluviômetro convencional, Px é a precipitação máxima observada no alinhamento norte-sul:Px=max( PN ; PS ) e Py é a precipitação máxima medida no alinhamento leste-oeste:Py=max( PE ; PW).

2. OBJETIVOS

Os objetivos deste trabalho são desenvolver e construir dois protótipos de pluviômetrosvetoriais, com materiais de baixo custo, bem como avaliá-los, usando um modelo matemático,desenvolvido por Assunção et al. (2004; 2005; 2006; 2008), que simula a energia cinética daschuvas sobre o aspecto do terreno e o seu efeito erosivo em diferentes tipos de solos, emfunção da direção, da inclinação, da intensidade das chuvas e velocidade do vento.

Os protótipos, já construídos e em fase de testes, tiveram seus projetos encaminhadospara o INPI para registro da patente e propostos à produção industrial.

3. METODOLOGIA

Os protótipos de pluviômetros vetoriais simples e modular foram confeccionados,usando material alternativo de baixo custo, na oficina do Campus Jataí da UniversidadeFederal de Goiás. Para adequação de algumas peças e acessórios, será utilizada a tornearia daSuperintendência Municipal de Desenvolvimento Rural da Prefeitura Municipal de Jataí.

O pluviômetro vetorial simples (Figura 1A) possui montagem simples com o uso depeças de PVC, material de baixo custo encontrado com facilidade e são posicionados para ospontos cardeais.

A direção da chuva é medida com o conjunto de4 instrumentos similares. Após uma chuva, aquantidade de água coletada pelo instrumento aponta asua direção predominante. Para se estimar a inclinaçãomédia da chuva é preciso conhecer, além da direção,também a altura pluviométrica medida com umpluviômetro convencional (tipo Ville de Paris). Opluviômetro vetorial simples será utilizado comoreferência padrão em relação ao protótipo modular.

O protótipo de pluviômetro vetorial modular (Figura1B) representa a compactação do protótipo anterior, em um único instrumento, operando comdois módulos (2 captadores móveis e 9 coletores), e tem capacidade de detectar 8 pontoscolaterais da chuva, bem como a inclinação média das gotas. Porém este traz a vantagem de

medir a precipitação também na horizontal.Para automação dos protótipos, serão adaptadas

básculas de pulso elétrico, desenvolvidas peloCIRAM/EPAGRI.

Os instrumentos serão testados nas dependências doCampus Jataí/UFG, onde os instrumentos serão instalados a1,5 m da superfície do solo, ao lado de um sensor de direçãoe velocidade do vento e de um sensor pluviométricoautomático.

Para fins de calibração, as observações pluviométricasserão feitas diariamente, cujos valores serão armazenados,em um banco de dados estruturado para tal propósito.

Serão feitas simulações de interceptação das chuvas,segundo a direção, a inclinação e a intensidade, observadas

no período experimental, em encostas com diferentes ângulos de inclinação e diferentes facesde orientação. Para isso será utilizado um microcomputador eo software de simulação e modelagem ORIGIN 8.0.

Figura 1B Pluviômetro vetorialdirecionado pelo vento, com 9captações.

Figura 1A Pluviômetros Direcionadosaos pontos cardeais, de Pers.

4. RESULTADOS ESPERADOS

Pluviômetros vetoriais são instrumentos raros, os quais são de grande valia para estudosclimatológicos da erosão, planejamento ambiental e construção civil. Como a presenteproposta possui caráter experimental é esperado que ocorram problemas de ordem técnica naconstrução e adequação, os quais serão resolvidos experimentalmente. Os benefícios desteprincípio serão o aprimoramento da técnica de construção para melhoria da eficiência eprecisão dos equipamentos, a capacitação técnica de construção, automatização e o registro depatente.

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS

ASSUNÇÃO, H. F., CARNEIRO, M.A.C., LIMA, V.V. Simulação da energia cinética daschuvas sobre os solos do município de Jataí-GO. In: CONGRESSO BRASILEIRO DEMETEOROLOGIA, 15, 2008, São Paulo-SP. Anais..., São Paulo-SP, SBMET/ USP,2008. Editado em CD-ROM.

ASSUNÇÃO, H. F., SCOPEL, I., MORAGAS, W.M., MARIANO, Z. F. Uso depluviômetros vetoriais para estimar a energia cinética das chuvas. In: CONGRESSOBRASILEIRO DE METEOROLOGIA, 14, 2006, Florianópolis-SC. Anais...,Florianópolis-SC, SBMET/ UFSC, 2006. Editado em CD-ROM.

ASSUNÇÃO, H. F., SOUSA, R. R., SCOPEL, I., MARIANO, Z. F. Direção e inclinaçãopredominantes das chuvas em Jataí-GO. In: CONGRESSO BRASILEIRO DEAGROMETEOROLOGÍA, 14, 2005, Campinas-SP. Anais..., Campinas-SP, SBAGRO/UNICAMPI, 2005. Editado em CD-ROM.

ASSUNÇÃO, H. F., SOUSA, R. R., SCOPEL, I., PEIXINHO, D. M.Uso de pluviômetrosvetoriais para determinar a direção predominante das chuvas. In: X REUNIÓNARGENTINA DE AGROMETEOROLOGÍA, 2004, Mar Del Plata. Mar Del Plata:AADA, 2004. Editado em CD-ROM.

CROCKFORD, R.H., RICHARDSON, D.P., FLEMING, P.M., KALMA, J.D. Acomparison of methods for measuring the angle and direction of rainfall. Agricultureand Forest Meteorology, Amsterdam: Elsivier, n.55, p.213-231, 1991.

FAO/PAP/RAC. Guidelines for Mapping and Measurement of Rainfall-Induced ErosionProcesses in the Mediterranean Coastal Areas. PAP-8/PP/GL.1. Split, Priority ActionsProgrammer Regional Activity Centre (MAP/UNEP), with the cooperation of FAO.1997. pp xii+70.

LIMA, W. P. Precipitação. Notas de aula: Piracicaba-SP, 240p., 2000.LITTLEFAIR, P. Daylight, sunlight and solar gain in the urban environment. Solar Energyv. 70, n.3, p.177–185, 2001.

NIMER, E. Climatologia do Brasil. Climatologia da Região Centro-Oeste. IBGE: Rio deJaneiro, pp. 393-421, 1989.