Avaliação da confiabilidade de sensores de umidade de baixo custo aplicados ao monitoramento do jardim de chuva da Poli-UPE

Resumo

Medidas de controle de águas pluviais com Soluções baseadas na Natureza (SbN) estão sendo cada vez mais utilizadas para controlar o escoamento de águas de chuva nas cidades (Cheng et al., 2024). Jardins de chuva, também conhecidos como células de biorretenção, são uma forma de SbN construídos como depressões rasas, vegetadas e infraestrutura modificada, atuando como medidas de controle descentralizadas em microescala para o gerenciamento de águas pluviais. Como uma estrutura de engenharia, os jardins de chuva coletam água da chuva de superfícies impermeáveis ou semipermeáveis, como telhados, ruas pavimentadas e estacionamentos. Dessa forma, eles podem ajudar a mitigar os efeitos negativos do escoamento superficial, aumentando a capacidade de retenção da bacia hidrográfica (Bąk e Barjenbruch, 2022) e minimizar o impacto ambiental negativo da rápida expansão urbana e das mudanças climáticas (Nguyen et al., 2019). A crescente demanda por soluções sustentáveis de drenagem urbana tem impulsionado o uso de jardins de chuva, estruturas que favorecem a infiltração e retenção da água pluvial, contribuindo para o controle de alagamentos e a recarga de aquíferos. Neste contexto, a quantificação da umidade do solo em diferentes profundidades é essencial para avaliar o desempenho hidrológico dessas infraestruturas (Hess, Wadzuk e Welker, 2021). Este trabalho teve como objetivo avaliar a confiabilidade de sensores capacitivos de baixo custo na medição da umidade do solo, modelo SKU:SEN0193, abaixo da superfície de um jardim de chuva instalado experimentalmente na Escola Politécnica da Universidade de Pernambuco (Poli-UPE), com vistas à estimativa da eficiência de percolação da água no perfil do solo. O estudo foi conduzido com oito sensores capacitivos, os quais foram calibrados individualmente por meio de método gravimétrico. Para a calibração dos sensores, a amostra de solo foi coletada utilizando um trado no local onde está situado o jardim de chuva da Poli-UPE, latitude 9108614,0 m S e longitude 290206,0 m E, tendo textura franco arenoso, tendo em sua constituição 86,45% de areia, 4,51% de silte e 9,04% de argila, densidade real de 2,334 g/cm³ e umidade média de 8,3%. A amostra do solo foi seca em estufa por 24 horas e dividida em seis amostras com teores de umidade definidas em laboratório, a saber: 0%, 5%, 10%, 20%, 30% e 40%. Os sensores foram calibrados conforme indica o fabricante, expondo-os ao contato com o ar livre e mergulhado em água, obtendo-se assim os valores analógicos limites de saturação e não saturação. As leituras analógicas foram obtidas através da placa de prototipagem Arduino e o Arduino IDE versão 2.3.6 e eram convertidas em % a partir dos parâmetros limites de calibração. Cada um dos sensores foi posto em contato com as amostras de solo e tiveram sua leitura e umidade em percentual registrados. Para avaliar a distribuição dos dados de leitura dos sensores em relação à umidade volumétrica, foi aplicado o teste de normalidade de Kolmogorov-Smirnov (KS), onde todos os sensores mostraram p-valores acima de 0,05, indicando que não há evidências suficientes para rejeitar a hipótese de normalidade, assim as leituras seguem uma distribuição aproximadamente normal. Foram obtidas curvas de regressão polinomial de segunda ordem para cada sensor, com valor médio da equação: y = 0,0005x² - 0,4873x + 109,66, onde x é a umidade gravimétrica e y a leitura analógica. O coeficiente de determinação médio (R² = 0,8923) indicou forte correlação entre as leituras analógicas dos sensores e os teores reais de umidade volumétrica do solo. Como medidas adicionais de desempenho, foram calculados o erro quadrático médio (Root Mean Squared Error - RMSE), que variou entre 48,07 e 61,65, e o coeficiente de variação (CV), com valores entre 46,23% e 71,38%. A elevada magnitude do erro quadrático médio de cada sensor mostra que, mesmo após a calibração, os sensores mantêm um grau significativo de imprecisão sistemática em relação aos valores reais de umidade. Este comportamento limita sua aplicabilidade como instrumentos de medição absoluta. Já os altos coeficientes de variação indicam uma considerável instabilidade nas leituras, necessitando de estratégias de suavização ou filtragem dos dados (como médias móveis ou filtros exponenciais), especialmente em aplicações que demandam monitoramento contínuo. Diante desses resultados, conclui-se que, embora os sensores não apresentem precisão suficiente para medições absolutas de umidade do solo, eles podem ser empregados com relativa confiabilidade em estudos que envolvam análises comparativas ou monitoramento de tendências de variação da umidade ao longo do tempo na superfície do jardim, monitorando-se a evapotranspiração da camada superficial do mesmo.