Gestão de recursos hídricos: análises estatísticas multivariadas em suporte à regionalização de vazões e proposta metodológica para avaliação, rearranjo e otimização de redes de monitoramento hidrométrico

Abstract

Objetivou-se, neste trabalho, fornecer subsídios à gestão de recursos hídricos por meio da utilização de análises estatísticas multivariadas em suporte à regionalização de vazões e da proposição de metodologia para avaliação, rearranjoe otimização de redes de monitoramento fluviométrico e pluviométrico. Dividiu-se o trabalho em três artigos científicos, sendo que no Artigo I objetivou-se desenvolver uma metodologia baseada em análises estatísticas multivariadas de componentes principais e de agrupamento com intuito de identificar as variáveis explicativas mais representativas em estudos de regionalização hidrológica e otimizar a obtenção das regiões hidrologicamente homogêneas para a bacia hidrográfica do rio Doce. Neste artigo foram utilizadas 15 variáveis, individualizadas para as 61 estações fluviométricas adotadas, sendo oito variáveis dependentes (Q7,10, Q90, Q95, Qmld, Qmax10, Qmax20, Qmax50, Qmax100), referentes às vazões características, e sete independentes (Pa, Pss, Psc, Ad, Lp, Lt e SL), referentes às características climáticas e morfométricas da bacia. A partir da análise de componentes principais identificou-se a variável independente SL (declividade média da bacia) como a menos representativa, sendo excluída do estudo. Os dois primeiros componentes principais, Y1 e Y2, foram responsáveis por 77,92% da variação total dos dados, representando fisicamente as características morfométricas e as precipitações médias, respectivamente. As melhores divisões de regiões hidrologicamente homogêneas, para as oito vazões características estudadas, foram obtidas utilizando-se conjuntamente a matriz de similaridade de Mahalanobis e o método de agrupamento do vizinho mais distante. A análise de agrupamento possibilitou a identificação de quatro regiões hidrologicamente homogêneas na bacia hidrográfica do rio Doce. A metodologia proposta para identificação do número de regiões homogêneas apresentou bons resultados, possibilitando a eliminação da subjetividade nesta fase inicial dos estudos de regionalização de vazões. Nos Artigos II e III objetivou-se desenvolver uma metodologia baseada em Sistemas de Informações Geográficas e análise geoestatística para subsidiar projetos de redes fluviométricas e pluviométricas de monitoramento quantitativo em bacias hidrográficas, respectivamente. No Artigo II foram utilizadas oito vazões características (q7,10; q90; q95; qmld; qmax10; qmax20; qmax50 e qmax100) e verificou-se que a rede de monitoramento fluviométrico existente na bacia do rio Doce é quantitativamente satisfatória, porém, espacialmente mal distribuída. O semivariograma teórico do tipo esférico foi o que melhor se ajustou às semivariâncias experimentais, para as variáveis estudadas. A nova abordagem científica permitiu, em quatro etapas de desenvolvimento da metodologia, o reposicionamento de 18 estações e a exclusão de duas estações fluviométricas, totalizando 59 estações de monitoramento. A otimização e o rearranjo espacial da rede fluviométrica possibilitou a redução dos desvios padrão percentuais para sete vazões características analisadas na bacia hidrográfica do rio Doce. No Artigo III utilizou-se três variáveis de precipitação (Pa, Pss e Psc) e verificou-se que a rede de monitoramento pluviométrico da bacia do rio Doce é deficitária em número de estações e espacialmente mal distribuída. O modelo teórico de semivariograma esférico foi o que melhor se ajustou às semivariâncias experimentais para as precipitações estudadas. A nova abordagem científica permitiu, em quatro etapas de desenvolvimento da metodologia, o reposicionamento de 12 estações e a inclusão de 67 estações pluviométricas, totalizando 143 estações de monitoramento. O rearranjo e a inclusão das novas estações pluviométricas possibilitou a redução dos desvios padrão percentuais para as três variáveis analisadas em toda a bacia hidrográfica do rio Doce.

The objective of this work was provide information to management and planning of water resources through methodological proposals for regionalization of streamflow and evaluation, rearrangement and optimization of fluviometric and rainfall monitoring networks. Initially it made a brief literature review of hydrological monitoring networks, discussing the main evaluation and design methodologies and the state of the art of international gauging networks. The aim of the review was to present the "status quo" of the monitoring of water resources worldwide and to develop a critical analysis with respect to the Brazilian fluviometric monitoring network. Further, after the literature review, three papers were presented. The first paper aims to develop a methodology using principal components analysis and cluster analysis to identify the most representative variables in hydrological regionalization studies and to optimize the identification of the hydrologically homogeneous regions for the rio Doce basin. Fifteen variables were used, individualized to 61 gauging stations, eight dependent variables (Q7,10, Q90, Q95, Qmld, Qmax10, Qmax20, Qmax50 and Qmax100) and seven independent variables (Pa, Pss, Psc, Ad, Lp, Lt and SL), concerning climatic and morphometric characteristics of the basin. The results of the principal component analysis pointed out that the variable SL (average slope of the basin) was the least representative for the study. The first two principal components, Y1 and Y2, were responsible for 77.92% of the total variation of the data, physically representing the morphometric characteristics and average rainfall, respectively. The best divisions of hydrologically homogeneous regions, for the eight studied flow characteristics, were obtained using the similarity matrix of Mahalanobis and the complete linkage clustering method. The Cluster analysis enabled the identification of four hydrologically homogeneous regions in the watershed of the rio Doce. The proposed methodology for identifying the number of homogeneous regions showed good results, allowing the elimination of subjectivity in this early phase in the studies of streamflow regionalization. The second and third papers aimed to develop a methodology based on Geographic Information Systems and geostatistical analysis to subsidize projects of quantitative fluviometric and rainfall monitoring networks of watersheds, respectively. Eight variables were used in the study for the rio Doce basin: q7, 10, q90, q95; qmld; qmax10; qmax20; qmax50 and qmax100. Analyzing the existing network was concluded that the fluviometric monitoring of rio Doce basin is quantitatively satisfactory and poorly distributed spatially. The geostatistical analysis indicated the spherical semivariogram model had a best fit to the experimental semivariance for the variables studied. The new scientific approach permits from the generated maps of specific flow rates and standard deviations by the technique of kriging, exclusion, inclusion and rearrangement of gauging stations. In four stages of development of the methodology, 18 stations were repositioned and two stations were deleted in total of 59 monitoring station. The optimization and spatial rearrangement of fluviometric network has reduced the percentage standard deviations for seven variables in rio Doce basin. The third paper aimed to develop a methodology based on Geographic Information System and geostatistical analysis to subsidize projects of quantitative rainfall monitoring networks of watersheds. Three variables were used in the study for the rio Doce basin: Pa, Pss and Psc. Analyzing the existing network was concluded that the pluviometric monitoring of rio Doce basin is deficient in number of monitoring stations and poorly distributed spatially. The geostatistical analysis indicated the spherical semivariogram model had a best fit to the experimental semivariance for the variables studied. The new scientific approach permits, from the generated maps of precipitation and standard deviations by the technique of kriging, the exclusion, inclusion and rearrangement of rainfall stations. In four stages of development of the methodology, nine stations were repositioned and 67 stations were included in total of 143 monitoring station. The spatial rearrangement of network and the addition of new rainfall stations have reduced the percentage standard deviations for all three analyzed variables in rio Doce basin.