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ArtiGo ciEntÍfico
Introdução
A erosão do solo é um dos maiores problemas ambientais, sendo respon- sável pela perda de áreas agricultáveis, poluição de recursos hídricos, assorea- mento de rios e reservatórios de barra- gens (BACK & POLETO, 2019). A chuva constitui-se num dos com- ponentes energéticos capazes de cau- sar erosão. Quando aliado a condições de baixa infiltração de água no solo, a comprimentos excessivos de rampa e a declividades elevadas do terreno, é capaz de produzir erosão por meio do
Análise de chuvas intensas visando ao dimensionamento de estruturas de
conservação do solo em Chapecó, SC
Álvaro José Back¹, Leandro do Prado Wildner² e Juliano Gonçalves Garcez³
resumo – As práticas mecânicas ou obras hidráulicas fazem parte dos princípios do manejo conservacionista do solo e são dimensionadas em função de alguns fatores, entre eles, as características da chuva local. Nesse sentido, este trabalho buscou analisar os dados de chuva intensa visando subsidiar o dimensionamento de projetos de conservação do solo na região de Chapecó, SC. Utilizou-se como base a série histórica de precipitação diária obtida na estação pluviométrica de Chapecó. Foram ajustados os parâmetros da distribuição de Gumbel-Chow com base na série histórica de chuvas máximas anuais para o período de 1973 a 2016. A partir da desagregação das chuvas máximas diárias, procedeu-se o ajuste da equação de chuvas intensas. Observou-se que há maior frequência de eventos extremos de chuva no outono, e menor no verão. A chuva máxima diária, com período de retorno de 10 anos adotada como critério para o dimensionamento de terraços em nível foi 146,9mm; já para terraços de drenagem, adotou-se a intensidade da chuva máxima de 141,9mm h-1, com duração de 15 minutos e período de retorno de 10 anos.
termos para indexação: terraços; drenagem agrícola; erosão; hidrologia.
Analysis of intense rains aiming to dimension soil conservation structures for chapecó region, Sc
Abstract – Mechanical practices or hydraulic works are part of the principles of the conservationist management of soil and are tailored depending on several factors, among them the characteristics of the local rainfall. This work aims to analyze the data of heavy rain to support the dimensioning of soil conservation projects in the region of Chapecó, Santa Catarina. The historical series data of daily precipitation obtained in Chapecó rainfall station was used. The parameters of the Gumbel-Chow distribution were adjusted based on the historical series of maximum annual rainfall for the period from 1973 to 2016. From the breakdown of the maximum daily rainfall, the intense rainfall equation was adjusted. It was noted that there is a higher frequency of extreme rainfall events in autumn and a lower one during summer. The maximum daily rainfall, with a return period of 10 years, to be adopted as a criterion for level terracing dimensioning was 146.9mm. For drainage terraces, the maximum rainfall intensity lasting 15 minutes and with a return period of 10 years was assumed to be 141.9mm h-1.
index terms : terraces; agricultural drainage; erosion; hydrology.
escoamento de grandes volumes de água superficial, tendo como resultado a abertura de sulcos em áreas cultivadas (DENARDIN et al., 2003). Alertas e de- núncias a respeito dessa situação tem sido realizadas desde o início dos anos 2000 (DENARDIN et al., 2003), mas com maior intensidade desde 2011 (CASSOL, 2011a; CASSOL, 2011b; DENARDIN et al., 2014; PEROZZA, 2015). As práticas de conservação do solo para controle da erosão são baseadas na redução do impacto da gota de chu- va no solo e no aumento da infiltração de água, com consequente diminuição do escoamento superficial. Entre essas
práticas, pode-se destacar a semeadu- ra direta, adubação verde e cobertura do solo, rotação de culturas e cultivo em faixas. No entanto, em regiões com ocorrência de chuvas intensas, deve-se fazer uso de práticas mecânicas de con- trole de erosão. Macedo et al. (2009) afirmam que para começar a proteger o solo devidamente, deve-se criar uma mentalidade conservacionista. Desta- ca-se a necessidade de manter o solo coberto o máximo de tempo possível e também adotar práticas que mante- nham ou elevem a capacidade de infil- tração de água com o objetivo de redu- zir o escoamento superficial.
Recebido em 19/6/19. Aceito para publicação em 6/8/2019. http://dx.doi.org/10.22491/RAC.2019.v32n3. ¹ Engenheiro-agrônomo, Dr., Epagri/Estação Experimental de Urussanga, Rod. SC 108 N°1563, km 353, Bairro da Estação, 88.840-000, Urussanga, SC, e-mail: ajb@epagri.sc.gov.br. ² Engenheiro-agrônomo, M.Sc., Epagri/Centro de Pesquisa para Agricultura Familiar, Serv. Ferdinando Tusset, S/N, Bairro São Cristóvão, Chapecó, SC. C.P. 791, 89803-904, e-mail: lpwild@epagri.sc.gov.br. ³ Engenheiro-agrônomo, Epagri/Escritório Municipal de Caxambu do Sul, Av. Getúlio Vargas,775, Caxambu do Sul, SC, e-mail: julianogarcez@epagri.sc.gov.br.
Agropecuária catarinense, florianópolis, v.32, n.3, p.95-100, set./dez. 2019
O terraceamento destaca-se como prática mecânica de comprovada efici- ência no controle da erosão e redução das perdas de solo e água em terras cul- tivadas (BERTONI & LOMBARDI NETO, 2012). A sua função principal é reduzir o escoamento superficial (evitando a for- mação de fluxos concentrados) e a ero- são (com formação de sulcos). Canais escoadouros, bacias de captação de águas pluviais, canais para escoamento da drenagem de estradas rurais também são práticas destinadas ao controle de erosão e conservação do solo e água. O dimensionamento dessas estruturas re- quer informações específicas acerca das chuvas intensas do local, caracterizadas pela duração, intensidade e frequência. De acordo com a função que desem- penham, os terraços podem ser classi- ficados em: de infiltração ou retenção (em nível) e de drenagem (ou com gradiente). Para cada tipo de terraço existem diferentes critérios de dimen- sionamento. Nos terraços de drenagem, é necessário conhecer a vazão máxima da enxurrada, estimada pelo Método Racional, usando a chuva com duração igual ao tempo de concentração. De Maria et al. (2018) recomendam a chu- va máxima com duração de 15 minutos. Já os terraços em nível são dimensiona- dos para conter ou armazenar o volume do escoamento superficial gerado por uma chuva com duração de um dia ou 24 horas (ASAE, 2012). O período de retorno está relaciona- do ao risco e custo da obra. Em projetos de sistemas de conservação de solos e drenagem de superfície de área agríco- las é comum a adoção de período de re- torno que varia de 5 a 20 anos (GRIEBE- LER et al., 2001; BERTONI & LOMBARDI NETO, 2012; DE MARIA et al., 2016). A intensidade da chuva varia com a duração e o período de retorno, e essas relações podem ser expressas por meio da equação de chuvas intensas. Vários autores destacam a necessidade de es- tabelecer e atualizar as relações intensi- dade-duração-frequência (IDF) (BERNE et al., 2004; ARAGÃO et al., 2013; SILVA & ARAUJO, 2013) para cada região de estudo. Pruski et al. (1997) desenvolveram um método baseado em fundamentos físicos para determinar a lâmina máxi- ma de escoamento superficial. A apli-
cação desse método exige o conheci- mento da equação de chuvas intensas ajustadas para o local. O conhecimento da época de ocor- rência das chuvas extremas, por sua vez, pode auxiliar no planejamento das atividades e na definição das práticas de manejo do solo. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo analisar os dados de chuvas intensas de Chape- có, SC, visando gerar informações para o dimensionamento de estruturas de controle de erosão, comumente deno- minadas como terraços.
Material e métodos
Neste estudo utilizou-se da série his- tórica de chuvas diárias da estação plu- viométrica do Centro de Pesquisas para Agricultura Familiar (Cepaf) da Empresa de Pesquisa Agropecuária e Extensão Rural de Santa Catarina (Epagri), locali- zado em Chapecó, SC (latitude 27,10°S, longitude 52,64°W). Com relação ao pe- ríodo, adotou-se o intervalo de tempo compreendido entre os meses de junho de 1973 e novembro de 2016. Foi determinada a série de chuvas máximas diárias anuais considerando o ano hidrológico de julho a junho do ano seguinte, assim como as estatísticas descritivas e o mês de ocorrência das chuvas máximas anuais. Também foi ob- tido o número mensal de ocorrências de chuvas diárias acima de 100mm. Para a estimativa da chuva máxima com determinado período de retorno, foi ajustada a distribuição de Gumbel- Chow (BACK, 2013), que tem como fun- ção cumulativa de probabilidade: (1) Em que α e β são os parâmetros da distribuição, e X é o valor da chuva máxima. Os parâmetros α e β foram estima- dos por: (2)
Em que Yn e Sn são respectivamen- te a média e o desvio padrão da variá- vel reduzida, tabelados em função do tamanho da série de chuvas máximas anuais (BACK, 2013). A chuva máxima com determinado período de retorno foi estimada por:
Em que e S são, respectivamente, a média e o desvio padrão da série de máximas anuais. Para avaliar o ajuste das distribui- ções, empregou-se o teste de Kolmogo- rov-Smirnov (KS), que consiste em com- parar a diferença máxima (Dmax) entre as frequências teóricas e as frequências observadas, isto é: (5) O valor Dmax é comparado com o valor crítico (Dcrítico) ao nível de signifi- cância de 5%. Para o cálculo da frequên- cia observada, utilizou-se a fórmula de Cunnane (BACK, 2013), que é tida como a mais indicada para a distribuição de Gumbel: (6)
Em que F é a frequência do evento observado; i é a posição na série orde- nada; e N é o tamanho da série de da- dos. Para a obtenção das intensidades de chuva com duração inferior a chuva máxima de um dia, foi empregado o mé- todo da desagregação da chuva diária, usando-se os coeficientes de desagre- gação da Cetesb (1986) (Tabela 1). Back (2006) e Back et al. (2015) constataram que as relações entre precipitações em Chapecó estão muito próximas das apresentas pela Cetesb, o que permite o uso desses coeficientes neste trabalho. Foram ajustados os coeficientes da equação IDF dada por: (7)
Em que I é a intensidade máxima média da chuva (mm h-1); K, m, b, n são os coeficientes da equação a serem ajus- tados; T é o período de retorno (anos); e t é a duração da chuva (minutos). Para o ajuste da equação, utilizou-se a minimização da função S (BACK, 2013) dada por: (8) Em que S é o somatório do quadra- do dos desvios; t é a duração da chuva (min); T é o período de retorno (anos); G é a intensidade da chuva estimada pela distribuição de probabilidade; e I é a intensidade da chuva estimada pela equação IDF. Para avaliar a equação, foi calculado o erro padrão de estimativa, dado por: Agropecuária catarinense, florianópolis, v.32, n.3, p.95-100, set./dez. 2019
conservação do solo que usam período de retorno de 5 a 20 anos, pode-se em- pregar a distribuição de Gumbel-Chow com boa segurança. Na Tabela 2 constam as chuvas máxi- mas esti madas para diferentes períodos de retorno. Nos terraços de infiltração, que são dimensionados com base na chuva máxima diária, é comum o uso da chuva máxima de um dia e período de retorno de 10 anos. Para Chapecó, essa chuva é de 146,9mm. Alguns auto- res (CETESB, 1986; BACK, 2013; TUCCI,
- indicam a chuva máxima com du- ração de 24 horas, que pode ser obti da multi plicando a chuva de um dia pelo fator 1,14 (Tabela 1), obtendo-se a chu- va de 167,5mm. Bertolini et al. (1994)
apresentam o mapa com as isoietas de chuva máxima diária provável com período de retorno de 10 anos para o estado de São Paulo, onde os valores variam de 95 a 115mm. Essas informa- ções inferem que, devido às caracterís- ti cas das chuvas intensas, os terraços da região de Chapecó necessitam de maior capacidade de armazenamento de água (enxurrada) do que os do estado de São Paulo. A equação de chuvas intensas obti - da para Chapecó foi:
Em que I é a intensidade da chuva (mm h-1); T é o período de retorno (2 ≤
T≤ 100 anos); e t é a duração da chuva (5 ≤ t ≤ 1440 minutos). O erro padrão de estimativa foi de 3,54mm h-1. A equação de chuvas intensas é de grande aplicação para o dimensiona- mento de estruturas de captação e ar- mazenamento do escoamento superfi- cial baseado no Método Racional, per- mitindo assim o cálculo da intensidade da chuva para cada obra a ser dimensio- nada. Para os terraços de drenagem, é co- mum o emprego da intensidade da chu- va com duração de 15 minutos e perío- do de retorno de 10 anos. Para Chapecó a intensidade obtida neste trabalho é de 141,9mm h-1^ (Tabela 3). Bertolini et al. (1994) apresentam o mapa de isoie- tas de chuva com essa intensidade para São Paulo com valores variando de 112 a 160mm h-1. Back (2006) e Back et al. (2015) es- tabeleceram as equações de chuvas intensas de Chapecó utilizando a série pluviográfica disponível até então. Back (2013) apresentou equações de chuvas intensas para Chapecó baseada na série pluviométrica de 1973 a 2011. Esses au- tores estabeleceram curvas IDF múlti - plas, com duas ou mais equações distin- tas, válidas para determinadas faixas de duração de chuva. Esse procedimento pode resultar em menor erro de esti ma- ti va e se justi fica pelo comportamento diferenciado das chuvas de curta dura- ção (geralmente originadas de proces- sos convecti vos da atmosfera) quando comparadas às chuvas de longa duração (tí picas das chuvas frontais) (MARTINS et al., 2017). No entanto, o mesmo pro- cedimento cria dificuldade para o uso em rotinas computacionais que estão programadas para uma única equação como é o Terraço for Windows (GRIE- BELER, et al., 2005). Assim, a equação apresentada neste trabalho, além de atualizada, possibilita a utilização des- ses programas para dimensionamento dos terraços na região de Chapecó.
Conclusões
- Os eventos extremos de chuva diária ocorrem com menor frequência no verão e maior no outono e, por isso, deve-se priorizar as práti cas de conser- vação do solo nesta época do ano;
Figura 2. Frequência de ocorrência de chuvas diárias extremas em Chapecó, SC Figure 2. Frequency of extreme daily rainfall in Chapecó, SC
Figura 3. Aderência da série de chuvas máximas diárias de Chapecó à distribuição de Gumbel-Chow Figure 3. Adherence of the maximum daily rainfall series of Chapecó to the distribution of Gumbel-Chow
Agropecuária catarinense, florianópolis, v.32, n.3, p.95-100, set./dez. 2019
Tabela 2. Chuvas máximas diárias estimadas para Chapecó, SC Table 2. Estimated maximum daily rainfall for Chapecó, SC T – Período de retorno (anos) Chuva máxima diária (mm)
2 100,
5 128,
10 146,
15 157,
20 164,
25 170,
50 187,
100 204,
Tabela 3. Intensidade da chuva (mm h-1) obtida com a equação de chuvas intensas de Chapecó, SC Table 3. Rain intensity (mm h -1) obtained from the heavy rainfall equation of Chapecó, SC
Duração (min)
Período de retorno (anos)
2 5 10 15 20 25 50 100
5 158,0 183,9 206,3 220,6 231,4 240,1 269,3 302,
10 128,0 148,9 167,1 178,7 187,4 194,4 218,1 244,
15 108,7 126,5 141,9 151,8 159,2 165,2 185,2 207,
20 95,2 110,7 124,2 132,8 139,3 144,6 162,2 181,
25 85,0 99,0 111,0 118,7 124,5 129,2 144,9 162,
30 77,2 89,8 100,7 107,7 113,0 117,2 131,5 147,
60 51,4 59,8 67,0 71,7 75,2 78,0 87,5 98,
360 15,4 17,9 20,0 21,4 22,5 23,3 26,2 29,
480 12,5 14,6 16,3 17,5 18,3 19,0 21,3 23,
600 10,7 12,4 13,9 14,9 15,6 16,2 18,2 20,
720 9,4 10,9 12,2 13,1 13,7 14,3 16,0 17,
1440 5,7 6,6 7,4 8,0 8,4 8,7 9,7 10,
- A série de chuvas máximas diá- rias anuais se ajusta bem à distribuição de Gumbel-Chow;
- A chuva máxima diária com pe- ríodo de retorno de 10 anos, que deve ser usada para dimensionamento de
terraços de infiltração na região de Cha- pecó, é de 146,9mm;
- A intensidade da chuva com duração de 15 minutos e período de
retorno de 10 anos, que deve ser usa- da para dimensionar terraços em gra- diente na região de Chapecó, é de 141,9mm h-1;
- A equação de chuvas intensas ajustada para Chapecó possibilita a es- timativa da intensidade da chuva com duração de 5 a 1440 minutos e período de retorno de 2 a 100 anos, com erro padrão de estimativa de 3,54mm h-1.
Referências
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- 10p.
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BACK, Á.J. chuvas intensas e chuva para dimensionamento de estruturas de drena- gem para o Estado de Santa catarina ( Com programa HidroChuSC para cálculos). Floria-
Agropecuária catarinense, florianópolis, v.32, n.3, p.95-100, set./dez. 2019
