GEODÉSIA APLICADA AO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO DA BACIA AMAZÔNICA Daniel ...

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GEODÉSIA APLICADA AO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO DA
BACIA AMAZÔNICA

Daniel Medeiros Moreira

Tese de Doutorado apresentada ao Programa de
Pós-graduação em Engenharia Civil, COPPE, da
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Doutor em Engenharia Civil.

Orientadores: Otto Corrêa Rotunno Filho
Stéphane Calmant
Félix Perosanz

Rio de Janeiro
Setembro de 2016
GEODÉSIA APLICADA AO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO DA
BACIA AMAZÔNICA

Daniel Medeiros Moreira

TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ
COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM
CIÊNCIAS EM ENGENHARIA CIVIL.

Examinada por:
________________________________________________
Prof. Otto Corrêa Rotunno Filho, Ph.D.

________________________________________________
Dr. Stéphane Calmant, D.Sc., HDR

________________________________________________
Dr. Félix Perosanz, D.Sc.

________________________________________________
Dra. Frédérique Sabine Vachald Seyler, D.Sc., HDR

________________________________________________
Prof. Denizar Blitzkow, D.Sc.

________________________________________________
Prof. Webe João Mansur, Ph.D.

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
SETEMBRO DE 2016
Moreira, Daniel Medeiros
Geodésia Aplicada ao Monitoramento Hidrológico da Bacia
Amazônica/ Daniel Medeiros Moreira. – Rio de Janeiro:
UFRJ/COPPE, 2016.
XXV, 229 p.: il.; 29,7 cm.
Orientadores: Otto Corrêa Rotunno Filho
Stéphane Calmant
Félix Perosanz
Tese (doutorado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia
Civil, 2016.
Referências Bibliográficas: p. 203-217.
1. Geodésia. 2. Estudos hidrológicos. 3. Monitoramento por
satélite. 4. Amazônia. I. Rotunno Filho, Otto Corrêa et al. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de
Engenharia Civil. III. Título.

iii
À Achiles Eduardo
Monteiro (in memoriam).
iv
AGRADECIMENTOS

Agradeço aos meus orientadores de tese, Otto Corrêa Rotunno Filho
(COPPE/UFRJ), Stéphane Calmant (IRD/LEGOS) e Félix Perosanz (CNES/GRGS).
Todos os três, cada um em sua especialidade, foram fundamentais para a conclusão
deste trabalho. Mais do que essa contribuição, foram, também, além, dando todo o
suporte, amizade e oportunidades. Não tenho palavras para agradecer todo o apoio de
vocês durante toda essa jornada.

A meu eterno chefe e amigo, Achiles Eduardo Monteiro (in memoriam), grande
amigo e incentivador da minha pesquisa. Sem ele, jamais teria êxito neste trabalho e,
por essa razão, dedico esta tese a ele, por toda a sua generosidade e bondade que me
possibilitaram chegar até aqui e realizar diversas conquistas.

Dirijo agradecimento especial aos membros examinadores desta tese, em
particular à Dra. Frédérique Sabine Vachald Seyler (IRD/LMTG), ao professor Webe
João Mansur (COPPE-UFRJ), ao professor Denizar Blitzkow (Escola Politécnica/USP).
Ao professor Denizar Blitzkow, em especial, agradeço pelas observações e
contribuições, que foram fundamentais para compor o texto que constitui a versão final
desta tese.
Aos colegas e amigos da CPRM do Escritório de Rio de Janeiro. Todos, sem
exceção, sempre me incentivaram e me apoiaram nesta jornada. Pela CPRM de Manaus,
estendo o meu sincero obrigado a Andre Santos, que foi um grande amigo e parceiro,
sendo fundamental seu apoio para conclusão desta tese, e a Marco Oliveira, por todo
suporte e ajuda sempre que solicitados. Ao Bosco, Manuel, Evaldo e todos os grandes
amigos hidrometristas, que proporcionaram sempre as melhores campanhas de campo
de que já participei. Sem eles, não seria possível realizar este estudo; que eles vivam
para sempre para o bem da hidrometria na Amazônia!

v
À Lígia Maria Nascimento de Araujo, grande amiga, que foi fundamental no meu
processo de formação como engenheiro e pesquisador.
Ao grande amigo tricolor, Luciano Nóbrega Rodrigues Xavier, que muito me
ajudou neste trabalho dando conselhos e todo o suporte quando necessário.

A Jean François Crétaux, pesquisador do Legos/CNES, pelo suporte durante
minhas passagens em Toulouse e campanhas de campo em que tivemos oportunidade de
participar conjuntamente.

À Joecila Santos da Silva, que contribuiu, além de sua amizade e conhecimento,
com dados de altimetria espacial utilizados nesta tese, gerados pelo grupo RHASA da
Universidade Estadual da Amazônia (UEA), o qual eu também estendo os meus
sinceros agradecimentos.

Aos meus amigos da UERJ, em particular do curso de Engenharia Cartográfica,
que, embora mais distantes agora, sempre posso contar com eles quando necessário.

Aos professores da Área de Recursos Hídricos e de Meio Ambiente do Programa
de Engenharia Civil da COPPE/UFRJ, pelo apoio e conhecimentos transmitidos ao
longo do curso.

Aos funcionários do Programa de Engenharia Civil (PEC) da COPPE/UFRJ e do
GET/GRGS/LEGOS/UPS pelo suporte institucional.

Aos técnicos e pesquisadores do GRGS, LEGOS, ANA, COPPE, UPS e IRD, que
sempre me receberam bem e que sempre me ajudaram quando solicitado.

Ao Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) e ao IGS (International
GNSS Service), por disponibilizarem dados para toda a comunidade GNSS, o que torna
possível realizar trabalhos como este aqui apresentado.

Dirijo especial agradecimento ao projeto Dinâmica Fluvial do Sistema Solimões
Amazonas, que proporcionou a geração e a consolidação de grande parte dos dados
vi
coletados e estudados, constituindo uma iniciativa conjunta do Serviço Geológico do
Brasil (CPRM) e do Institut de Recherche pour le Développement (IRD), com vistas a
estudar o comportamento hidrodinâmico e hidrológico da bacia Amazônica, com ênfase
no monitoramento hidrológico espacial via sensoriamento remoto.

Ao IRD, que através do programa Bourses d'échanges scientifiques et
technologiques (BEST), possibilitou estágios técnicos que foram fundamentais para
aprendizado das tecnologias utilizadas nesta tese.

À CPRM que, através da Diretoria de Hidrologia e Gestão Territorial, do
Departamento de Hidrologia, da Divisão de Hidrologia Aplicada, da Divisão de
Hidrologia Básica, SUREG-MA e GEHITE-MA, sempre apoiou a minha pesquisa
concedendo as liberações para estágios em Toulouse e fornecendo todo o suporte para
as campanhas de campo realizadas.

Ao Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), CNES/GRGS e ao IGS
(International GNSS Service), por disponibilizarem dados para toda a comunidade
GNSS, o que torna possível realizar trabalhos como este aqui apresentado.

Registram-se aqui agradecimentos extensivos ao projeto CAPES/COFECUB No.
516/05 – Modelagem hidrológica-atmosférica aplicada à gestão de grandes bacias
hidrográficas, ao projeto MCT/FINEP/CT-HIDRO - Bacias Representativas 04/2005,
relativo à implantação e a estudos em bacias experimentais com ênfase na região
serrana do Rio de Janeiro (bacia hidrográfica do rio Piabanha), envolvendo várias
instituições do estado do Rio de Janeiro, ao projeto CTHIDRO 037/2006 – CNPq Curso
de Extensão em Hidrometria e ao projeto PROSUL (Edital CNPq Nº 005/2007),
aprovado no âmbito de redes temáticas, intitulado Técnicas de Sensoriamento Remoto
Aplicadas ao Monitoramento Hidrológico e de Mudanças Climáticas na Região
Amazônica, que reúne pesquisadores brasileiros, latino-americanos e franceses.

Complementarmente, em nome do Laboratório de Recursos Hídricos e Meio
Ambiente (LABH2O) do Programa de Engenharia Civil da COPPE/UFRJ, agradeço,
ainda, o suporte da FAPERJ pelo apoio financeiro através dos projetos PEC/COPPE -
vii
FAPERJ 014/2010 (2010-2012), FAPERJ – Processo E-26/103.116/2011 (2012-2014),
FAPERJ – Pensa Rio – Edital 19/2011 (2012-2014) – E26/110.753/2012, FAPERJ –
Pensa Rio – Edital 34/2014 (2014-2017) –E-26/010.002980/2014, projeto FAPERJ No.
E_12/2015, ao CNPq Edital Universal No. 14/2013 – Processo 485136/2013-9 e ao
projeto MCT / FINEP / CT-HIDRO (2005-2016) , bem como à Secretaria de Educação
Superior (SESu) – Ministério da Educação (MEC) - FNDE – Programa de Educação
Tutorial - PET CIVIL UFRJ, pelo contínuo apoio à pesquisa científica no Brasil.
À minha amada esposa Dayane Candido, que me incentiva, que me apóia e que
me ajuda com todo seu amor e dedicação. Obrigado por toda sua ajuda na revisão do
texto em português e do texto em francês; além disso, obrigado por toda sua paciência e
cumplicidade durante o desensolvimento desta tese.
Por fim, os meus mais profundos agradecimentos a Deus, à minha mãe Sonia
Moreira, ao meu irmão Bruno Moreira e ao meu pai Flávio Machado Moreira (in
memoriam), que olham por mim onde quer que estejam, com apoio incondicional ao
longo de toda a minha vida, sendo fundamentais para minha formação como pessoa.

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Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)
GEODÉSIA APLICADA AO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO DA
BACIA AMAZÔNICA
Daniel Medeiros Moreira
Setembro/2016
Orientadores: Otto Corrêa Rotunno Filho
Stéphane Calmant
Félix Perosanz
Programa: Engenharia Civil
O presente estudo fundamenta-se na avaliação do emprego de dados geodésicos
para o monitoramento e para a modelagem dos recursos hídricos da bacia Amazônica, a
partir da hipótese de que os princípios da Geodésia permitem ampliar, em quantidade e
em qualidade, o conjunto de informações observacionais hidrológicas disponíveis nessa
importante região hidrográfica. Delimitou-se, como principal objetivo, o levantamento
de altitudes ortométricas do zero das estações fluviométricas da rede convencional e a
obtenção de perfis de declividade da linha de água dos principais rios Amazônicos em
uma escala inédita. Nesse sentido, empregou-se procedimento de processamento de
dados GNSS para aferir a precisão da técnica de posicionamento por ponto preciso
(PPP), o que permitiu contrastar a sua eficiência face às técnicas clássicas e suas
recentes inovações. Complementarmente, com o objetivo de alcançar melhor precisão
nos levantamentos geodésicos, os efeitos de cargas hidrológicas também foram
mensurados a partir do uso das séries de dados do satélite GRACE, oriundas de quatro
diferentes centros de análise (CSR, JPL, GFZ e GRGS), em conjunto com o modelo de
correção de carga hidrológica HYDL. Os resultados mostraram que essas fontes de
informação ofereceram suporte na correção de cargas hidrológicas de 18 estações GNSS
existentes na bacia Amazônica. Em especial, identificou-se que o emprego de dados de
réguas e de perfis da linha de água definidos por receptores GNSS permitiu avaliar, de
forma inovadora e rigorosa, a precisão de dados altimétricos dos satélites Jason-2,
ENVISAT e ICESAT, com potencial e abrangente uso em estudos hidráulico-
hidrológicos de monitoramento e de modelagem em diversas escalas espaço-temporais.
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Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)
GEODESY APPLIED TO HYDROLOGIC SURVEYS OVER AMAZON BASIN
Daniel Medeiros Moreira
September/2016
Advisors: Otto Corrêa Rotunno Filho
Stéphane Calmant
Félix Perosanz
Department: Civil Engineering
This study is based on the evaluation of the use of geodetic data for monitoring
and modeling of water resources of the Amazon basin, assuming the hypothesis that the
principles of Geodesy allow to expand the set of observational hydrological information
with respect to quantity and quality in order to make them available for this important
river basin. The main objective was to establish a protocol to level the gauged stations
of the conventional network and to get steepness profiles for the water line of the main
Amazon rivers on an unprecedented scale. Accordingly, we used GNSS data processing
procedure to measure the accuracy of the precise point positioning (PPP) technique,
which allowed to investigate its efficiency when compared to the classical techniques
and their recent innovations. In addition, in order to achieve better accuracy in geodetic
surveys, the effects of hydrologic loads were also measured by means of the use of data
series acquired through GRACE satellite, coming from four different analysis centers
(CSR, JPL, GFZ and GRGS) jointly with the hydrologic load correction model HYDL.
The results showed that these sources of information offered support in correcting
hydrologic loads of 18 GNSS stations existing in the Amazon basin. In particular, it was
found that the use of data from leveled gauged stations and water line profiles defined
by GNSS receivers allowed the evaluation of the accuracy of altimetry data in such an
innovative and rigorous manner as derived from Jason-2, ENVISAT and ICESAT
satellites highlighting their potential and widespread use in hydraulic-hydrological
studies of monitoring and modeling on various spatiotemporal scales.

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