MODELOS CHUVA-VAZÃO

Benedito C. Silva

Modelos Precipitação-Vazão Características dos modelos

Discretização das bacias : concentrado; distribuído por

bacia; distribuído por célula

Distribuídos x concentrados

Vantagens distribuído incorpora

variabilidade da chuva

incorpora variabilidade das características da bacia

permite gerar resultados em pontos intermediários

Vantagens concentrado mais simples mais rápido mais fácil calibrar

Quanto à extensão temporal Eventos

Hidrologia urbana Eventos observados ou cheias de projeto Em geral pode-se desprezar

evapotranspiração Séries contínuas

Representar cheias e estiagens Volumes, picos, recessões Evapotranspiração deve ser incluída

Estrutura dos modelos

Estrutura básica módulo bacia módulo rio, reservatório

Módulo baciaGeração de escoamento

Módulo rioPropagação de escoamento

bacia

rio

reservatório

IPHS1 windows®

Modelo IPHS1

Modelo IPHS1

Estrutura é baseada na operação hidrológica

Sub-bacia

trecho de rio

reservatório

seção de leitura

divisão

Modelo IPHS1 - Sub-bacia

• Entrada: Precipitação (t) entrada dos postos de precipitação independente das sub-bacias. Ponderação de acordo com a influência de cada posto.

A precipitação pode ser

histórica ou de projeto

para ser reordenada.

B1

B2B3

B4B5

Postos pluviométricos

Modelo IPHS1 - Sub-bacia Opções de modelos de separação de

escoamento: SCS, Horton modificado (IPH2), HEC1,

opções de propagação : Clark, HEC1, HU, Hymo (Nash), SCS.

Opção de água subterrânea : reservatório linear simples.

Algumas ferramentas

Barra de Menus

Barra de Ferramentas Principal

Caixa de Títulos, Descrições e Comentários

Barra de Ferramentas Hidrográficas

Barra de Avisos

Área de Projetos

Aprendendo a utilizar o modelo IPHS1

IPHS1 windows®

Aprendendo a utilizar o IPHS1

IPHS1 windows®

Barra de Menus

Barra de Ferramentas Principal Caixa de

Títulos

Barra de Ferramentas

Hidrológicas

Barra de Avisos

Área de projeto

IPHS1

Solução Criar novo projeto Definir intervalo de tempo

vamos usar 0,5 hora, porque os dados estão em 0,5 hora e o HU fica bem definido

Número de intervalos de tempo com chuva

o enunciado dá 5 intervalos com chuva Número total de intervalos de tempo

vamos adotar 20 para ter folga e descrever bem o hidrograma resultante

Definir topologia e objetos

Características da bacia

Separação de escoamento método SCS com CN = 80

Propagação na bacia com HU dado

A área e o tempo de concentração não seriam necessários para os cálculos

mas o programa exige estes dados (embora não os utilize)

Cuidado para dividir ordenadas do HU por 10!

Resultado

MODELO HIDROLÓGICO DE GRANDES BACIAS – MGB-IPH

Apresentação

Modelo desenvolvido durante doutorado Walter Collischonn sob orientação do prof. Carlos Tucci (IPH UFRGS)

Aplicado em várias bacias no Brasil Adequado para:

Avaliação de disponibilidade hídrica em locais com poucos dados Previsão hidrológica Avaliação de efeitos de atividades antrópicas em grandes bacias

Grandes bacias x pequenas bacias

Situação normal: Em grandes bacias existem longas séries

de medições de vazão. Em pequenas bacias as séries de medição

de vazão são mais curtas (quando existem). Muitas vezes a solução é usar um modelo hidrológico para estender a série.

Grandes bacias x pequenas bacias

Em pequenas bacias é possível usar modelos concentrados.

Em grandes bacias a variabilidade é maior. Modelos concentrados são menos adequados.

Mesmo assim os modelos distribuídos mais famosos são os de pequenas bacias.

Modelos distribuídos de pequenas bacias

Referências mais freqüentes: SHE e Topmodel

Desenvolvidos na esperança de que as medições pontuais de uma série de variáveis na bacia poderia evitar a calibração de parâmetros

Exigem grande quantidade de dados

Problemas de hidrologia de grandes bacias

variabilidade plurianual mudanças de uso do solo previsão em tempo real Mudanças climáticas

Quais são os processos que contribuem para a variabilidade plurianual da vazão de uma bacia?

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Dez/62 Dez/64 Dez/66 Dez/68 Dez/70 Dez/72 Dez/74 Dez/76 Dez/78 Dez/80 Dez/82

Va

zão

mé

dia

me

ns

al (

m3

/s)

Rio Paraguai em Porto Esperança, MS - (360.000 km2)

Como é possível aproveitar as previsões meteorológicas no manejo de recursos hídricos?

Previsão do modelo regional do CPTEC - INPE

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

1970 1975 1980 1985 1990 1994

Ano

Áre

a oc

upad

a (1

000

ha)

bovinos

soja

Quais são as conseqüências das mudanças de uso do solo em larga escala?

0

500

1000

1500

2000

2500

jul-69 jul-71 jul-73 jul-75 jul-77 jul-79 jul-81 jul-83

Vaz

ão (

m3/

s)

Rio Taquari, MS.

Modelo hidrológico de grandes bacias desenvolvido

Baseado no modelo LARSIM, com algumas adaptações do modelo VIC-2L.

Balanço de água no solo simplificado Evapotranspiração por Penman - Monteith, conforme

Shuttleworth (1993). Propagação pelo método de Muskingun Cunge nos rios.

Utiliza grade regular de células (+ - 10x10 km) Utiliza intervalo de tempo diário ou menor Representa variabilidade interna das células Desenvolvido para grandes bacias (> 104 km2)

Processos representados

Evapotranspiração (Penman-Monteith) Interceptação Armazenamento de água no solo Escoamento nas células Escoamento em rios e reservatórios

célula fonte

célula com curso d´água

célula exutório

Dados de entrada

Séries de chuva e vazão Séries de temperatura, pressão,

insolação, umidade relativa do ar e velocidade do vento

Imagens de sensoriamento remoto Tipos de solo MNT Cartas topográficas Seções transversais de rios

MNT

Bacia discretizada e rede de drenagem

SoloCobertura e uso

+

Blocos

Variabilidade no interior da célula

Cada célula é dividida em blocos

A cobertura, o uso e o tipo de solo são heterogêneos dentro de uma célula

Versão em mini-bacias

7:36

Balanço de água no solo

PE

P-I

DSUP

DINT

DBAS

Wm

W

PrecipitaçãoEvapotranspiração

Precipitação - interceptação

Escoamento superficial

Escoamento sub-superficial

Escoamento subterrâneo

Água no solo

Máximo conteúdo de água

Capacidade de Infiltração Variável

wi

w i = capacidade de armazenamento de cadaum dos reservatórios

b

mw

wx

11

1bb

mW

W11x

w - individualW - average

A capacidade de armazenamentodo solo é considerada variável.

O solo pode ser entendido como um grande número de pequenos reservatórios de capacidade variável.

Surface flow and soil outflow

bm

bBASBAS W-W

W-WK D

W-W

W-WK D

XL23

ZM

ZINTINT

DINT

Wm

W

Wz

1b

m

1b

1

mmmsup 1bW

P

W

W1WWWPD

Escoamento superficial

Escoamento sub-superficial

Escoamento subterrâneo

BASINTSUPcel QQQQ

INTI

INT VTK

1Q

BASB

BAS VTK

1Q

SUPS

SUP VTK

1Q

Trec

ho d

e ri

o

Propagação na rede de drenagem Muskingum – Cunge Modelo hidrodinâmico se necessário

(Pantanal e Amazonas)

Rio Taquari - Antas

Quase 27.000 km2 na foz

• solos argilosos• derrame basáltico• alta declividade• pouca sazonalidade

Bacia Taquari - Antas discretizada

Bloco Uso do solo e cobertura vegetal1 Floresta2 Pastagem3 Agricultura4 Área Urbana5 Água

Não foram considerados os diferentes tipos de solos

269 células

5 blocos

Postos fluviométricos

Principal posto: Muçum 15.000 km2

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

jun-73 jul-73 ago-73 set-73 out-73 nov-73 dez-73

Va

zão

(m

3/s

)

Calculada

Observada

Bacia do rio Taquari RS - (30.000 km2)

Posto Muçum15.000 km2

0

100

200

300

400

500

600

700

01/jun/72 01/jul/72 31/jul/72 30/ago/72 29/set/72 29/out/72 28/nov/72

Vazã

o (m

3/s)

calculada

observada

Bacia do rio Taquari RS - (30.000 km2)

Posto Carreiro4.000 km2

Bacia do Rio Uruguai

75.000 km2 até início do trecho internacional

Discretização da bacia do rio Uruguai

681 células

8 blocos

Resultados aplicação sem calibração

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

jan-87 fev-87 mar-87 abr-87 mai-87 jun-87 jul-87 ago-87 set-87 out-87 nov-87 dez-87

Va

zão

(m

3/s

)

calculadoobservado

Parâmetros “emprestados” da bacia Taquari Antas

Passo Caxambu52.500 km2

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

01/0

1/89

01/0

2/89

01/0

3/89

01/0

4/89

01/0

5/89

01/0

6/89

01/0

7/89

01/0

8/89

01/0

9/89

01/1

0/89

01/11

/89

01/1

2/89

Va

zão

(m

3/s

)

calculado

observado Passo Caxambu52.500 km2

Rio Uruguai: Resultados aplicação com calibração

Curva de permanência de vazões

100

1000

10000

100000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tempo de permanência (%)

Vaz

ão (

m3/

s)

calculado

observado

Bacia do rio São Francisco

Área total: 640.000 km2

Número de usinas: 10 8 no Rio São Francisco 2 em afluentes

Três Marias

Sobradinho

São Francisco

Resolução: 0,1º(10x10km)

Resolução: 0,2º(20x20km)

Discretização da bacia – Células Regulares - 10x10 km e 20x20 km

UHE Três Marias (Ad = 50.784 km2)

NS = 0,899; Nslog = 0,824; ΔV = 9,3

UHE Sobradinho (Ad = 503.937 km2)

NS = 0,966; Nslog = 0,943; ΔV = 6,048

Bacia do Rio Paraná (A>800.000km2)

Furnas (rio Grande)

Água Vermelha (rio Grande)

Rosana (rio Paranapanema)

Itaipu (rio Paraná)

Bacias da Amazonia

Resultados Jirau (rio Madeira)

Resultados Santo Antônio (rio Madeira)

Belo Monte (Rio Xingu)