O melhor entendimento dos fenômenos meteorológicos próximos de montanhas somente é possível com maior quantidade de medidas combinado com a modelagem numérica. Entretanto a escassez de dados observacionais na América do Sul é grande, e o problema se torna ainda mais grave próximo de montanhas onde a heterogeneidade da superfície requer maior representatividade das observações. Medidas em regiões serranas são raras também devido à dificuldade de acesso causada pela adversidade do tempo.
Por outro lado, a necessidade de implementar um sistema de alerta em tempo real demanda a utilização de modelagem hidrológica em dois modos operacionais:
a) usando as previsões de chuva de modelos atmosféricos para alimentar o modelo hidrológico TOPOG,
b) baseado em observações de chuva em tempo real, visando produzir previsões de cheias em curtíssimo prazo sem os erros da previsão de chuva dos modelo atmosféricos.
Para atingir estes objetivos é necessário contar com uma rede operacional em tempo real. Considerando que a rede existente é deficiente para atender os objetivos do projeto, está sendo proposta a ampliação da rede de observações usando estações telemétricas de coleta de dados. Essa ampliação faz uso da rede operacional existente, e aumenta a capacidade de monitoramento naquelas áreas mais críticas.
As Estações Telemétricas de Coleta de Dados meteorológicas medem a temperatura, umidade, precipitação, radiação solar, a direção e velocidade do vento e umidade no solo. Essas informações são transmitidas para o satélite brasileiro de coleta de dados (SCD) e retransmitidas para as estações de recepção do setor solo do SCD, com freqüência de três horas.
Deve-se salientar que devido a questões de processamento da informação e transmissão de dados, as informações transmitidas por satélites podem sofrer atrasos de até seis horas. Como o tempo de resposta das bacias hidrográficas na região da Serra do Mar é muito rápido, esses atrasos podem prejudicar as previsões hidrológicas. Por tal motivo, a ampliação da rede também permitirá o acesso das informações em tempo real por via telefônica, permitindo a consulta imediata diante da ocorrência de eventos extremos, e auxiliando ações de prevenção e monitoramento.
Considerando a importância da penetração da brisa marítima no tempo e clima da região, o monitoramento destas variáveis pode ter um forte impacto no acerto da previsão de tempo para a região utilizando modelos numéricos de alta resolução. Além da utilização em tempo real, essas informações formarão um acervo histórico das características das condições atmosféricas à superfície e poderão monitorar a precipitação acumulada para análise de riscos de deslizamentos. Estes dados são essenciais para apoio aos demais subprojetos, mas também de grande importância para o desenvolvimento dos vários temas propostos por este programa de pesquisa.
7.1 Objetivos
Especificar, instalar e operar estações de superfície de medidas hidrometeorológicas na região da Serra do Mar para:
a) estudar o impacto destas informações na previsão utilizando modelo numérico de alta resolução, atmosférico e hidrológico;
b) melhorar a inicialização desses modelos;
c) calibrar e validar as previsões dos modelos numéricos, atmosférico e hidrológico;
d) permitir o acompanhamento de eventos chuvosos extremos em tempo real e;
e) auxiliar na tomada de decisões diante desses eventos críticos.
Para atender esses objetivos, estamos solicitando a aquisição de estações telemétricas de superfície, conhecidas como Plataformas de Coleta de Dados (PCD), são 10 PCDs meteorológicas e 5 PCDs hidrológicas. Essas estações irão complementar a rede de observações de superfície já existente operadas por instituições estaduais e federais. Estas plataformas estarão também coletando dados geotécnico-geológicos.
7.2 Metodologia
A primeira fase será a de especificar, instalar e operar as estações telemétricas meteorológicas, hidrológicas e geotécnico-geológicas na Serra do Mar. As estações serão dispostas de forma a medir parâmetros atmosféricos, de nível d’água e de condições do solo.
As medidas das estações serão transmitidas via satélite e também por telefone, esta última forma é necessária para uma resposta rápida do envio das medidas para dar apoio ao Subprojeto SP.5 de “Desenvolvimento de um Sistema Semi-Automático de Previsões e Informações Hidrometeorológicas em Apoio ao Gerenciamento de Riscos na Serra do Mar”. Depois de instaladas as estações, os dados serão preparados para serem acessados e assimilados pela comunidade científica, bem como o banco de informações históricas que será iniciado após a instalação das estações.
As medidas passarão por um controle de qualidade padrão das mensagens, e serão inseridas imediatamente no Banco de Dados Meteorológicos do CPTEC, ingeridas pelo sistema de assimilação de dados dos modelos do CPTEC e disponibilizados aos demais subprojetos para os estudos propostos.
Todas estas informações estarão disponíveis de forma automática através da internet.
7.2.1 Estações Meteorológicas
A rede de estações meteorológicas
para atendimento do projeto será disposta ao
longo de 5 transectors, conforme mostrado na Figura
4, de modo a monitorar todos os sistemas de brisa ao
longo do litoral paulista.
O extremo superior de cada um desses transectos estará
posicionado no planalto; o outro extremo se estenderá
ao longo do litoral, o qual será complementado
por observações no alto da serra, de forma
a permitir a detecção da circulação
da brisa marítima. Esta circulação
tem um importante papel na formação e
intensificação da convecção
na região do Planalto Paulista e na Serra do
Mar.
Os transectors observacionais serão compostos
pelos seguintes eixos:
a) Iguape, Boa Vista e Registro;
b) Santos, Paranapiacaba e São
Paulo (IAG);
c) Caraguatatuba, Paraibuna e São
José dos Campos;
d) Ubatuba, São Luiz do Paraitinga
e Taubaté;
e) Proximidades de Parati (no Estado
de São Paulo), Cunha e Guaratinguetá.
Considerando que o INPE/CPTEC já possui estações
meteorológicas em alguns pontos desses transectos
(Iguape, Caraguatatuba, Paraibuna, Guaratinguetá,
São José do Barreiro, Cachoeira Paulista,
Cunha, Queluz, Silveiras), está sendo solicita
a aquisição de mais 10 Estações
para permitir a cobertura necessária à
demanda do projeto.
7.2.2
Estações Hidrológicas
Por outro lado, o DAEE/SP e a ANA operam as seguintes
Estações hidrológicas: Balsa do
Cerro Azul, Barra do Batatal, Barra do Turvo, El Dorado,
Iporanga, Juquiá, Miracatu, Registro, Ribeira,
Sete Barras, Votupoca. Este conjunto de Estações
hidrológicas tem por objetivo monitorar as enchentes
que periodicamente afetam o Vale do Ribeira.
Neste projeto estamos propondo a ampliação
da rede de Estações hidrológicas
no Litoral Norte do Estado, que portanto será
complementar à rede existente. Neste caso, serão
monitorados cursos d´água das seguintes
bacias:
» Rio Cubatão
» Rio Grande de Ubatuba
» Rio Santo Antônio em
Caraguatatuba
» Rio Paraitinga-Salesópolis
» Ribeirão do Pinhal-em
Lagoinha
» Rio Quilombo em Santos
A localização desta rede automática
corresponde aos postos fluviométricos convencionais
(isto é, operados por observadores) da ANA. Desta
forma, procura-se aproveitar as séries históricas
em estudos de tendências e na calibração
de modelos, aproveitando as curvas chaves para a determinação
da vazão.
A importância da ampliação da rede
hidrológica ao litoral norte deve-se às
características geomorfológicas distintas
dos compartimentos serranos naquela região, que
condicionam situações meteorológicas
particulares. As bacias ali presentes são relativamente
pequenas e com encostas de amplitude elevada e altas
declividades naturais, pouco afastadas ou próximas
à linha costeira. Nessas bacias, ocorrem processos
enérgicos de movimentos de massa e enchentes
violentas nos cursos d´água associados.
O relevo acentuado determina que as bacias do litoral
norte tenham baixo tempo de concentração
e alto potencial erosivo. O conjunto de dados obtidos
das estações hidrológicas permitirá
a calibração do modelo hidrológico
TOPOG para as bacias monitoradas, bem como desenvolver
estratégias de regionalização de
parâmetros para aquelas bacias sem observações.
Por outro lado, as informações monitoradas
em tempo real permitem utilizar mecanismos de auto-correção
de modelo de previsão de cheias.
As informações darão apoio às
pesquisas de previsão hidrológica de enchentes
que consta do subprojeto SP.2 de “Acoplamento
de um modelo atmosférico a um modelo hidrológico”.
A Figura 4 mostra a ampliação da rede
de observações existentes com as novas
Estações propostas.
Figura 4. Ampliação da rede de observações de superfície na região da Serra do Mar
Dados de instrumentação geológico-geotécnica serão coletados de forma suplementar as estações meteorológicas e hidrológicas nas situações envolvendo processos de instabilização de encostas passíveis de ser monitoradas, e nas quais a ação das águas superficiais é fator deflagrador do processo de movimentação. As bacias listadas a seguir apresentam cenários de risco importantes a ser monitoradas com as estações meteorológicas e hidrológicas. A aquisição e coleta de dados de natureza geológico- geotécnica nessas bacias por meio de Estações, irá depender da viabilidade operacional e arranjo logístico da localização da instrumentação geotécnica em relação às estações hidrológicas e meteorológicas.
» Bacia do Rio Cubatão com diversos cenários de risco de movimentos de massa e enchentes envolvendo áreas urbanas, rodovias, ferrovias, captações de água, oleodutos, aquedutos e instalações industriais;
» Bacia do Rio Grande de Ubatuba com cenários de risco de movimentos de massa e enchentes envolvendo áreas urbanas, a rodovia Oswaldo Cruz e o sistema local de captação de água da SABESP;
» Bacia do Rio Santo Antônio em Caraguatatuba com cenários de risco de escorregamentos envolvendo a rodovia dos Tamoios e movimentos de massa e enchentes violentas que podem atingir uma densa ocupação de baixada presente na planície de inundação do rio;
Estas são bacias que sob o ponto de vista de riscos geológicos e geotécnicos é interessante um monitoramento hidrometeorológico e geológico-geotécnico semi-automático, e abrangem a priori compartimentos geomorfológicos, geológicos e hidrometeorológicos com características distintas: o extremo norte da borda serrana (transector Guaratinguetá-Cunha-Picinguaba), o miolo da área urbana de Ubatuba e borda de planalto de Taubaté (transector Ubatuba-São Luis do Paraitinga-Taubaté), o compartimento central de Caraguatatuba (transector Caragua-Paraibuna-São José dos Campos), a porção da Serra em Cubatão com a maior diversidade e importância estratégica de tipos de intervenções antrópicas, obras de transposição e respectivos cenários de risco (transector Santos-Paranapiacaba-São Paulo) e o extremo sul do litoral com os problemas das grandes cheias do rio Ribeira de Iguape (transector Iguape-Boa Vista-Registro).
Para aumentar a capacidade de previsão de eventos meteorológicos adversos, incrementar o conhecimento acerca dos mecanismos de deflagração dos diversos fenômenos de movimentos de massa ocorrentes na região da Serra do Mar e melhorar a capacidade de resposta dos sistemas de alerta, é possível e necessário a obtenção de dados contínuos e em tempo real de estações meteorológicas espacialmente bem localizadas. Para melhor entender e modelar a resposta hidrológica dessas bacias visando determinar sob quais condições pluviométricas, hidrogeológicas e geológico-geotécnicas aumenta o risco de deslizamentos, há que se instrumentar essas bacias com equipamentos que gerem dados que permitam um incremento nas análises de correlação de dados meteorológicos, pluviométricos e de ocorrência dos processos de instabilização de encostas e fenômenos de enchentes. Nesse intuito, além das medições de natureza meteorológica, pretende-se o aproveitamento das estações telemétricas para a coleta de dados de instrumentação geotécnica em situações de instabilidade de encostas passíveis de monitoramento, geralmente tipificadas como processos de rastejo, associados a movimentos lentos de depósitos superficiais ou de camadas geológicas sub-superficiais.
A implantação e operação em caráter experimental de estações para aquisição semi-automática de dados geológico-geotécnicos, conjugados a informações de natureza hidrometeorológica, propiciará adquirir um ganho importante de conhecimento e experiência para o desenvolvimento futuro de um Sistema Integrado de Monitoramento Geotécnico das encostas da Serra do Mar. A aquisição contínua com transmissão em tempo real de sinais gerados por instrumentos geológico-geotécnicos instalados em áreas com processos de instabilização de encostas passíveis de monitoramento, permitirá a obtenção de dados de natureza qualitativa e quantitativa fundamentais para aprimorar o conhecimento acerca da previsibilidade de ocorrência dos processos de movimentos gravitacionais de massa em distintos cenários de risco de escorregamentos.
No âmbito deste subprojeto pretende-se montar uma estação de aquisição de dados geológico-geotécnicos a partir do desenvolvimento de um projeto piloto de instrumentação geotécnica.
A área escolhida para a implantação experimental da estação de monitoramento geotécnico corresponde à Bacia do rio Pilões em Cubatão, na região do km 42 da rodovia Anchieta, local onde ocorreu o escorregamento de grande porte e onde há evidências de massas adjacentes em movimento. Para esse local será desenvolvido o projeto da instrumentação que conterá detalhes que permitirão a aquisição dos instrumentos e seus acessórios.
O objetivo da instrumentação a ser projetada será conhecer os parâmetros apresentados na Tabela 2. Estes parâmetros permitirão a compreensão da fenomenologia envolvida nos processos de escorregamentos profundos e rasos, que se desenvolvem nas encostas da Serra do Mar.
TABELA 2 – Resumo dos parâmetros, tipos e quantidades de instrumentos geológico-geotécnicos previstos
| Parâmetros
a serem monitorados |
Instrumentos
previstos |
Quantidade |
| Pressões de água que ocorrem nos diferentes substratos existentes ao longo da profundidade e em diferentes posições distribuídas espacialmente na encosta. | Piezômetros elétricos do tipo corda vibrante | 9 |
| Pressões de sucção nas camadas de solo mais superficiais. | Tensiômetros | 10 |
| Deslocamentos que ocorrem ao longo da profundidade nos vários substratos da encosta. | Inclinômetro
com dez sensores fixos |
1 |
| Inclinômetro com sensor removível de propriedade do IPT | 1 |
|
| Precipitações pluviométricas, quantidade e intensidade. | Pluviômetro | 1 |
Para
a instalação desta instrumentação,
com exceção do pluviômetro, será
necessária a execução de sondagens
cujas características básicas são
as seguintes:
» Sondagens mistas: 6 (seis)
furos com profundidades variáveis de até
50 m cada, com execução de ensaios de
infiltração e perda d’água.
Em 4 (quatro) sondagens serão instalados os 8
(oito) piezômetros, 2 (dois) em cada furo, e nas
outras 2 (duas) os 2 (dois) inclinômetros. Ressalta-se
que um piezômetro permanecerá no Campus
do IPT objetivando testes de laboratório controlados,
de longo prazo, para avaliação de desempenho
do seu princípio de funcionamento, concomitantemente
à aplicação no campo.
» Sondagens a trado: 10 (vinte)
furos com profundidades variáveis de 1,5 m a
6,0 m destinados à instalação dos
10 (vinte) tensiômetros previstos.
O inclinômetro removível é de propriedade
do IPT e será disponibilizado para a execução
de leituras em complementação às
leituras contínuas fornecidas pelo inclinômetro
fixo. As suas leituras serão realizadas por técnicos
em visita à área escolhida, com freqüência
mensal, o que permitirá um melhor conhecimento
dos deslocamentos que ocorrem ao longo de uma seção
na encosta. Além disso, estes técnicos
realizarão inspeção visual dos
locais instrumentados e dos vários dispositivos
instalados.
Toda a instrumentação elétrica
e fixa será controlada remotamente através
de um sistema de monitoramento contínuo constituído
pelos seguintes componentes:
» Estação de Campo
constituída por módulos de transmissão
via rádio ou telefonia celular, baterias, painéis
solar, módulos de condicionamento de sinais da
instrumentação, software de gerenciamento
das leituras dos sensores e torre para acoplamento.
» Estação Retransmissora
localizada em Cubatão, no caso de transmissão
via rádio, cuja função será
a recepção de sinais enviados pela Estação
de Campo e retransmissão via telefone fixo para
a Estação Base localizada na Sede do IPT
e vice-versa.
» Estação Base
localizada na Sede do IPT que será constituída
por dispositivos de comunicação com a
Estação Retransmissora, através
de linha telefônica. Contará com software
para a interface de comunicação, já
disponível e que deverá ser adaptado ao
presente caso.
A Figura 5, a seguir, ilustra a situação
prevista para o campo.
A forma de comunicação da estação de campo e da estação base será definida em conjunto com técnicos do INPE, de acordo com as condições existentes no local escolhido para a monitoramento, conforme pode ser visto esquematicamente na Figura 6.
Figura 6. Desenho ilustrativo das formas de comunicação na Serra do Mar
Para a aquisição de dados será utilizada a plataforma Moscad uma vez que esse sistema dispõe de equipamentos para coleta, tratamento, transmissão via rádio e conexão com a Internet, inclusive ferramentas de software para desenvolvimento de aplicação e de comunicação.
Toda a malha instrumentada deverá ter um sistema de aterramento/proteção elétrica que proteja toda a malha contra sobretensão conduzida, sobretensão induzida e aumento do potencial do solo, que podem provocar a queima de equipamentos ou falha na operação.
Os trabalhos ora propostos serão desenvolvidos nas seguintes etapas, a saber:
» Análise das áreas de risco piloto, aquisição, testes dos equipamentos e desenvolvimento de softwares para aquisição, transmissão e análise dos dados;
» Instalação dos equipamentos em campo e testes de aquisição, transmissão e tratamento de dados;
» Acompanhamento do desempenho dos equipamentos e softwares em período chuvoso;
» Ingestão dos dados no sistema de pré-processamento e Banco de Dados;
» Uso em modelos numéricos para ajuste e validação;
» Assimilação dos dados pelos modelos.
7.2.4 Resultados Esperados
Como resultado esperado deste subprojeto prevê-se o desenvolvimento de um sistema capaz de apresentar estes dados possibilitando o monitoramento dos equipamentos e dos dados adquiridos; e capaz de analisar as informações obtidas e fazer a previsão de riscos de escorregamento com emissão de alertas para diversos órgãos interessados.