DESENVOLVIMENTO DA BIBLIOTECA HIDROLÓGICA …coral.ufsm.br/engcivil/images/PDF/2_2015/TCC_VITOR...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL

DESENVOLVIMENTO DA BIBLIOTECA HIDROLÓGICA COMPUTACIONAL HYDROLIB

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

Vitor Gustavo Geller

Santa Maria, RS, Brasil 2015

DESENVOLVIMENTO DA BIBLIOTECA COMPUTACIONAL HIDROLÓGICA HYDROLIB

Vitor Gustavo Geller

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Civil, Área de Hidrologia, da Universidade Federal de Santa Maria

(UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção de grau de Engenheiro Civil

Orientador: Prof. Dr. Daniel Gustavo Allasia P.

Santa Maria, RS, Brasil 2015

Universidade Federal de Santa Maria Centro de Tecnologia

Curso de Engenharia Civil

A Comissão Examinadora, abaixo assinada, aprova o trabalho de conclusão de curso

DESENVOLVIMENTO DA BIBLIOTECA COMPUTACIONAL HIDROLÓGICA HYDROLIB

elaborado por Vitor Gustavo Geller

como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Civil

COMISSÃO EXAMINADORA

______________________________ Daniel Gustavo Allasia P., Dr. (Presidente/Orientador - UFSM)

______________________________ Rutinéia Tassi, Dra.

(UFSM)

______________________________ Francisco Rossarolla Forgiarini, Dr.

(UFSM)

Santa Maria, 11 de dezembro de 2015.

RESUMO Trabalho de Conclusão de Curso

Curso de Engenharia Civil Universidade Federal de Santa Maria

DESENVOLVIMENTO DA BIBLIOTECA COMPUTACIONAL HIDROLÓGICA

AUTOR: VITOR GUSTAVO GELLER ORIENTADOR: DANIEL GUSTAVO ALLASIA P.

Data e Local da Defesa: Santa Maria, 11 de dezembro de 2015.

A hidrologia é uma ciência que trata dos fenômenos hídricos, como a ocorrência, distribuição e movimentação da água no planeta. Devido à complexidade destes fenômenos, modelos computacionais vem sendo desenvolvidos para buscar respostas para as diferentes questões ligadas à bacia hidrográfica. Muitos destes modelos já são consagrados pela literatura, no entanto, em muitos casos eles precisam ser adaptados devido algumas condições específicas da bacia. Buscando proporcionar maior flexibilidade ao hidrólogo, foi proposta o desenvolvimento de uma biblioteca hidrológica computacional denominada Hydrolib, que possui seu código fonte aberto e serve como ferramenta para construção de modelos hidrológicos. Neste trabalho, primeiramente, apresenta-se a biblioteca desenvolvida, bem como um modelo construído como exemplo de aplicação das funções da biblioteca, denominado Modelo Hidrológico Ecotecnologias (MHE), e finalmente, testa-se a eficácia do MHE e da biblioteca Hydrolib por meio de simulações comparativas com o modelo consagrado IPHS1. Palavras-chave: Biblioteca hidrológica. Hydrolib. Comparação. IPHS1.

ABSTRACT

DEVELOPMENT OF THE HYDROLOGICAL COMPUTATIONAL LIBRARY HYDROLIB

Hydrology is a science that deals with water phenomena, such as the

occurrence, distribution and movement of water on the planet. Due to the complexity of these phenomena, computational models have been developed to seek answers to different questions related to watershed. Many of these models are already established in the literature, however, in many cases they need to be adjusted because some specific conditions of the watershed. Seeking to provide greater flexibility to the hydrologist, it has proposed the development of a hydrological computer library called Hydrolib, which has its open source code and serves as a tool for construction of hydrological models. In this paper, first, shows the developed library, as well as a model built as an example of application of library functions, called MHE (HME) - Hydrological Model Ecotecnologias, and finally tests the effectiveness of the MHE (HME) and Hydrolib library by comparative simulations with the model established IPHS1. Key Words: hydrological library, Hydrolib. Comparison. IPHS1.

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA ..................................................... 8

1.1 Objetivo Geral ...................................................................................................... 9

1.2 Objetivos Específicos ......................................................................................... 9

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................ 10

2.1 Modelos hidrológicos ....................................................................................... 10

2.2 Classificação de modelos ................................................................................. 10

2.3 Modelos chuva-vazão ....................................................................................... 11

2.3.1 Chuva efetiva .............................................................................................................................. 11

2.3.1.1 Equações intensidade-duração-frequência...............................................................................12

2.3.1.2 Chuva de projeto - Método dos blocos alternados ...................................................................12

2.3.1.3 Separação do escoamento - Método do SCS ..........................................................................13

2.3.2 Propagação do escoamento superficial na bacia.........................................................................14

2.3.2.1 Princípios do hidrograma unitário - HU ....................................................................................14

2.3.2.2 Propagação da vazão na bacia - Método do hidrograma unitário sintético triangular o SCS...15

2.4 Tempo de concentração ................................................................................... 16

2.4.1 Equação de Kirpich....................................................................................................................... 16

2.4.2 Equação de Watt e Chow ............................................................................................................. 17

2.4.3 Equação de Dooge ....................................................................................................................... 17

2.4.4 Equação da Federal Aviation Agency .......................................................................................... 18

2.5 Propagação em reservatório – Método Puls ................................................... 18

2.6 Pacote computacional IPHS1 ........................................................................... 19

3. MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................ 21

4. RESULTADOS ................................................................................. 23

4.1 Hydrolib e Suas Capacidades .......................................................................... 23

4.2 O Modelo Hidrológico Ecotecnologias ............................................................ 23

4.3 Avaliação da Biblioteca Hydrolib ..................................................................... 26

5. CONCLUSÃO ................................................................................... 29

5.1 Sugestões de desenvolvimentos futuros ........................................................ 29

6. APÊNDICES ..................................................................................... 30

6.1 Apêndice A – Funções programadas na biblioteca hidrológica Hydrolib

versão 1.0. ............................................................................................................ 30

6.1.1 Função calcular_PrecipitacaoDesacumulada .............................................................................. 31

6.1.2 Função aplicar_BlocosAlternados ................................................................................................ 32

6.1.3 Função calcular_PrecipitacaoEfetiva_CN .................................................................................... 32

6.1.4 Função calcular_TC_Kirpich ........................................................................................................ 33

6.1.5 Função calcular_HUT_SCS ......................................................................................................... 34

6.1.6 Função aplicar_Convolucao ......................................................................................................... 34

6.1.7 Função plotar_Hidrogramas_PQ .................................................................................................. 35

6.1.8 Função plotar_Cenarios_PQ ........................................................................................................ 36

6.1.9 Função calcular_VazaoSaida_Puls .............................................................................................. 37

6.1.10 Função aplicar_Puls .................................................................................................................... 38

6.2 Apêndice B – Manual rápido de uso do Modelo Hidrológico

Ecotecnologias.....................................................................................................39

6.2.1 Escrevendo arquivos de entrada .................................................................................................. 39

6.2.2 Estrutura do arquivo de entrada ................................................................................................... 42

6.3 Apêndice C – Resultados das simulações chuva-vazão em bacias de

diferentes escalas ................................................................................................ 45

6.4 Apêndice D – Saída de dados (formato .png) do MHE para chuva-

vazão......................................................................................................................49

7. ANEXOS........................................................................................... 59

7.1 Anexo A – Valores aproximados para o coeficiente CN ................................ 59

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................. 60

8

1. INTRODUÇÃO E JUSTIFICATIVA

A hidrologia é uma ciência que trata dos fenômenos hídricos, como a

ocorrência, distribuição e movimentação da água no planeta (COLLISCHONN; TASSI,

2008, p. 1). Estes fenômenos envolvem vários fatores, que os tornam complexos e de

difícil análise (TUCCI, 1998, p. 13).

Buscando analisar qualitativa e quantitativamente tais fenômenos, modelos

computacionais vêm sendo desenvolvidos para modelagem hidrológica e hidráulica.

Segundo Tucci (1998, p.13), modelos são utilizados para buscar respostas para

diferentes entradas a respeito de algum objeto ou sistema, por meio de uma linguagem

objetiva e simples.

Os modelos hidrológicos buscam compreender e simular o comportamento de

uma bacia hidrográfica e prever situações diferentes das observadas. Entretanto, a

complexidade física da bacia e dos processos envolvidos, bem como a forma de

mensurar as variáveis do sistema, tem propiciado um desafio aos profissionais da área

de hidrologia, resultando numa infinidade de modelos que buscam responder as

diferentes questões ligadas à bacia hidrográfica. Estes modelos hidrológicos estão

ligados aos aspectos que envolvem o desenvolvimento de uma sociedade. Dentre

eles, o desenvolvimento urbano, que inclui o abastecimento de água, tratamento de

esgoto e a drenagem urbana (TUCCI, 1998, p. 32).

Alguns modelos hidrológicos aplicados à drenagem urbana são consagrados

pela literatura, no entanto, apesar da excelência destes modelos, em muitas

circunstâncias eles devem ser adaptados a situações particulares, tais como a

modelagem de estruturas diferenciadas ou em cenários específicos. Visando propiciar

maior flexibilidade ao usuário, neste trabalho será proposta a construção de uma

biblioteca hidrológica aberta, que com a correta utilização e conhecimentos básicos

de programação, o hidrólogo terá condições de construir seus próprios modelos e

adaptá-los da forma que melhor os convêm.

Esta monografia tem por objetivo apresentar uma biblioteca computacional

hidrológica para o estudo dos eventos hidrológicos aplicados à drenagem urbana.

9

1.1 Objetivo Geral

Criar uma biblioteca hidrológica que é um arranjo de funções usadas em

estudos hidrológicos. A biblioteca é denominada Hydrolib e serve de auxílio a outros

hidrólogos na construção de seus próprios modelos.

1.2 Objetivos Específicos

Apresentar a biblioteca desenvolvida;

Familiarizar o usuário com suas funções;

Testar a eficácia da biblioteca.

10

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Modelos hidrológicos

Tucci (1998, p.16) define modelos como representação do comportamento do

sistema, sendo classificados em: físicos, análogos e matemáticos.

Modelos físicos buscam por meio de ensaios com protótipos de pequena escala

representar as condições físicas reais do sistema em estudo. Os modelos análogos

simulam o processo em estudo por meio da analogia do equacionamento de dois

fenômenos distintos. Já os modelos matemáticos representam o comportamento físico

de fenômenos estudados por meio de equações matemáticas.

Os modelos matemáticos são mais versáteis que os demais tipos de modelo,

pois é possível modificar e alterar o seu equacionamento de maneira a obter diferentes

resultados para uma mesma situação, além da rápida resposta dos modelos em

relação a estas modificações. Entretanto, este tipo de modelo sofre com a

discretização de processos contínuos e na obtenção de uma equação que represente

bem determinado processo físico (TUCCI, 1998, p.16).

2.2 Classificação de modelos

Modelos podem ser classificados levando em conta (TUCCI, 1998, p. 20):

a) A continuidade temporal do sistema (contínuo, se os fenômenos são

contínuos no tempo ou discreto, se os fenômenos se dão em intervalos

de tempo);

b) A aleatoriedade das variáveis (estocásticos, se a chance de ocorrência

das variáveis é levada em conta ou determinísticos, se a chance de

ocorrência das variáveis é ignorada);

c) A dependência espacial dos parâmetros e variáveis (concentrado,

quando o espaço e/ou o tempo não interferem nas variáveis do modelo

11

ou distribuído, se o espaço e/ou tempo influenciam as variáveis do

modelo);

d) E o embasamento físico de sua formulação (conceitual, quando as

funções levam em consideração processos físicos ou empírico, se as

funções são ajustadas de maneira que os dados calculados se

assemelham aos dados observados).

2.3 Modelos chuva-vazão

Os modelos chuva-vazão representam o fenômeno de transformação da

precipitação em vazão do ciclo hidrológico (TUCCI, 1998, p.227). A escolha do método

para simulações deste tipo depende resumidamente do objetivo do estudo, dos dados

disponíveis, de alguns aspectos específicos da simulação e do tempo (TUCCI, 1998,

p.214).

Para determinar o escoamento superficial de uma bacia durante um evento de

chuva em que há informações de precipitação para vários intervalos de tempo (evento

complexo) pode-se utilizar o método do SCS desenvolvido pelo National Resources

Conservation Center dos EUA (antigo Soil Conservation Service – SCS)

(COLLISCHONN; TASSI, 2008, p. 107). Esta metodologia está inclusa na biblioteca

hidrológica Hydrolib e é revisada a seguir.

2.3.1 Chuva efetiva

A chuva efetiva é a parcela de chuva que gera o escoamento superficial sendo

este responsável pelo rápido crescimento da vazão de um rio durante e após um

evento chuvoso (COLLISCHONN; TASSI, 2013, p. 111). Ela pode ser determinada

por meio da utilização sequencial de algumas funções da biblioteca hidrológica

Hydrolib. A seguir é feita a revisão da metodologia requerida para determinação da

chuva efetiva pelo método SCS.

12

Equações intensidade-duração-frequência

As curvas IDF (intensidade-duração-frequência) são uma forma de relacionar a

intensidade, duração e a probabilidade de ocorrência de uma precipitação qualquer,

que atinge determinada área (COLLISCHONN; TASSI, 2008, p. 59-60). Elas devem

ser deduzidas analisando séries de chuvas intensas durante um período

representativo dos eventos extremos do local (TUCCI et al., 2009, p.201).

Recomenda-se analisar séries com no mínimo 15 anos de dados (COLLISCHONN;

TASSI, 2008, p. 59).

A análise da série é feita escolhendo-se determinada duração de tempo e em

seguida, ajusta-se uma distribuição de frequências para as maiores intensidades de

chuva com esta duração. Este processo é realizado para 5 minutos, 10 minutos, 1

hora, 12 horas, 24 horas, 2 dias e 5 dias (COLLISCHONN; TASSI, 2008, p. 59).

Curvas IDF podem ser representadas em forma de equação, tendo seguinte

aspecto:

𝐼 = 𝑎 ∙ 𝑇𝑟𝑏

(𝑡𝑑 + 𝑐)𝑑 (1)

Sendo I é a intensidade em mm/h; Tr é o tempo de retorno em anos; 𝑡𝑑 é a

duração da chuva em minutos; a, b, c e d são parâmetros adimensionais

característicos de cada local (TUCCI et al., 2009, p.203).

Chuva de projeto – Método dos blocos alternados

Chuvas de projeto são eventos idealizados que buscam estimar as vazões

máximas para determinado tempo de retorno. Elas normalmente são calculadas a

partir de curvas IDF, pois considera-se que as vazões máximas são geradas a partir

de chuvas máximas, portanto, o tempo de retorno das vazões é o mesmo que o das

chuvas que as deram origem (COLLISCHONN; TASSI, 2008, p. 230-231).

13

Na obtenção da chuvas de projeto mais longas, em que normalmente é usado

o método do hidrograma unitário para calcular vazões, considera-se que a intensidade

da chuva varia ao longo do tempo. A distribuição temporal dessas chuvas usualmente

é feita pelo método dos blocos alternados (COLLISCHONN; TASSI, 2008, p. 233).

O método consiste em reorganizar os dados de chuva de maneira a criar uma

situação crítica de escoamento. Esta reorganização não tem relação com fenômenos

físicos e é feita de forma que a maior precipitação calculada fique situada no meio da

distribuição. Em seguida, são dispostos de maneira alternada (um à direita e outro à

esquerda da precipitação central) o restante das precipitações em ordem decrescente

(TUCCI et al. 1995, p.47-49).

Separação do escoamento – Método do SCS

Método desenvolvido pelo National Resources Conservation Center dos EUA

(antigo Soil Conservation Service – SCS), é um método simples e muito utilizado para

estimar o volume do escoamento superficial oriundo de uma precipitação. Ele se

baseia em parâmetros relacionados à ocupação da bacia e tipo do solo

(COLLISCHONN; TASSI, 2013, p. 106).

Conforme o método SCS, desde que a precipitação acumulada for maior que

as perdas iniciais, a lâmina escoada durante uma chuva é determinada por:

𝑄 = (𝑃 − 𝐼𝑎)²

(𝑃 − 𝐼𝑎 + 𝑆) (2)

𝐼𝑎 = 0.2 ∙ 𝑆 (3)

𝑆 = 25400

𝐶𝑁− 254 (4)

Sendo P é a precipitação ordenada acumulada ao longo do evento de chuva

(mm); Q é a chuva efetiva ao longo do evento (mm); S é a máxima infiltração

acumulada potencial (mm); 𝐼𝑎 são as perdas iniciais (mm); e o CN é um parâmetro

14

adimensional tabelado que leva em consideração o tipo e uso do solo (anexo B). As

equações 7, 8 e 9 são válidas desde que 𝑃 > 𝐼𝑎. Caso 𝑃 ≤ 𝐼𝑎, a chuva não provoca

lâmina de escoamento (𝑄 = 0) (COLLISCHONN; TASSI, 2013, p. 106).

2.3.2 Propagação do escoamento superficial na bacia

O comportamento da propagação do escoamento superficial em uma bacia

pode ser teoricamente estimada considerando-se uma relação linear entre chuva

efetiva e vazão. A esta relação dá-se o nome de hidrograma unitário – (HU) que supõe

que a precipitação efetiva é unitária, com intensidade constante ao longo de sua

duração e distribui-se uniformemente sobre toda a bacia (COLLISCHONN; TASSI,

2013, p. 112-113).

Princípios do hidrograma unitário – HU

Supondo um comportamento linear para a bacia hidrográfica, os hidrogramas

unitários são proporcionais e podem ser sobrepostos (COLLISCHONN; TASSI, 2008,

p.112-113).

Por serem proporcionais, os valores calculados dos hidrogramas unitários

dependem da intensidade da precipitação efetiva que os origina, já a duração do

tempo dos hidrogramas unitários depende das características físicas da bacia. Isto

significa que precipitações mais intensas geram maiores volumes de escoamento que,

por sua vez, levam o mesmo período de tempo para escoar que vazões geradas por

precipitações de menor intensidade. Somando-se os hidrogramas de chuvas efetivas

sucessivas determina-se o hidrograma de escoamento superficial. Este processo é

chamado de convolução (COLLISCHONN; TASSI, 2008, p.113).

A convolução consiste no somatório do produto da chuva efetiva por uma

ordenada do hidrograma unitário discreto, podendo ser expressa por:

15

𝑄𝑡 = ∑ 𝑃𝑖 ∙ ℎ𝑡−𝑖+1

𝑡

𝑖=1

Para t < k (5)

𝑄𝑡 = ∑ 𝑃𝑖 ∙ ℎ𝑡−𝑖+1

𝑡

𝑖=𝑡−𝑘+1

Para t ≥ k (6)

Sendo 𝑄𝑡 é a vazão do escoamento superficial no tempo 𝑡; ℎ é a vazão por

unidade de chuva efetiva do HU; 𝑃𝑖 é a precipitação efetiva do bloco 𝑖; 𝑘 é o número

de ordenadas do hidrograma unitário, obtido pela equação 𝑘 = 𝑛 − 𝑚 + 1, sendo 𝑚 é

o número de pulsos de precipitação, e 𝑛 é o número de valores de vazão do

hidrograma (COLLISCHONN; TASSI, 2008, p.114).

Propagação da vazão na bacia – Método do hidrograma unitário sintético

triangular do SCS

Este tipo de hidrograma é obtido a partir da análise do relevo da bacia,

utilizando características como área de drenagem e tempo de concentração. Ele é

utilizado na convolução (juntamente com a precipitação efetiva) para determinar o

hidrograma de projeto. O hidrograma unitário sintético triangular do SCS é

determinado pelas equações 12, 13 e 14.

𝑇𝑝 = 0,6 ∙ 𝑡𝑐 + 𝑑 2⁄ (7)

𝑡𝑏 = 𝑇𝑝 + 1,67 ∙ 𝑇𝑝 (8)

𝑞𝑝 = 0,208 ∙ 𝐴

𝑇𝑝 (9)

Onde 𝑡𝑐 é o tempo de concentração, em horas; 𝑑 é a duração da chuva, em

horas; 𝑇𝑝 é o tempo de subida do hidrograma (tempo decorrido desde o início do

escoamento até a vazão de pico), em horas; 𝑡𝑏 é o tempo de recessão do hidrograma

16

(duração total do escoamento, do seu início ao seu fim), em horas; 𝐴 é a área da bacia

em km²; e 𝑞𝑝 é a vazão de pico em m³/s (COLLISCHONN; TASSI, 2008, p.120-121).

2.4 Tempo de concentração

O tempo de concentração é definido como o tempo em que a gota de água da

chuva que precipitou no ponto mais distante do exutório da bacia leva para escoar até

ele (COLLISCHONN; TASSI, 2008, p. 14). O tempo de concentração pode ser

estimado por meio de equações desenvolvidas a partir de dados experimentais.

Contudo, salienta-se que por se tratarem de expressões empíricas, elas somente são

válidas para condições muito semelhantes às de sua determinação (TUCCI et al.,

1995, p. 131). A seguir são apresentadas algumas equações usadas para determinar

o tempo de concentração.

2.4.1 Equação de Kirpich

Desenvolvida com dados de 7 bacias rurais com declividades entre 3 e 10% e

áreas de até 0,5 km², a equação de Kirpich é uma das equações mais utilizadas para

estimar o tempo de concentração.

𝑡𝑐 = 57 ∙ (𝐿³

∆ℎ)

0,385

(10)

Sendo 𝑡𝑐 é o tempo de concentração em minutos; L é o comprimento do curso

d’água principal em km; ∆ℎ é a diferença de altitude em metros ao longo do curso

d’água principal (COLLISCHONN; TASSI, 2008, p. 14).

17

2.4.2 Equação de Watt e Chow

Usada para estimar o tempo de concentração de bacias relativamente grandes.

A equação de Watt e Chow foi desenvolvida com dados de bacias com áreas de até

5840 km².

𝑡𝑐 = 7,68 ∙ (𝐿

𝑆0,5)

0,79

(11)

Sendo 𝑡𝑐 é o tempo de concentração em minutos; L é o comprimento do curso

d’água principal em km; e S é a declividade do curso d’água principal (adimensional)


2.4.3 Equação de Dooge

Determinada a partir de 10 bacias rurais com áreas entre 140 a 930 km²,

localizadas na Irlanda. Seus parâmetros remetem ao escoamento predominante em

canais.

𝑡𝑐 = 21,88 ∙ 𝐴0,41

𝑆0,17 (12)

Sendo 𝑡𝑐 é o tempo de concentração em minutos; A é a área em km²; e S é a

declividade do curso d’água principal (adimensional) (TUCCI et al., 1995, p. 133).

18

2.4.4 Equação da Federal Aviation Agency

Esta equação possivelmente seja bem utilizada em bacias em que predomine

o escoamento em superfícies (bacias muito pequenas), já que foi desenvolvida para

drenagem de aeroportos.

𝑡𝑐 = 22,73 ∙ (1,1 − 𝐶) ∙ 𝐿0,5 ∙ 𝑆−0,33 (13)

Sendo 𝑡𝑐 é o tempo de concentração em minutos; C é o coeficiente de

escoamento superficial do Método Racional; L é o comprimento do curso d’água

principal em km; e S é a declividade do curso d’água principal (adimensional) (TUCCI

et al., 1995, p. 132).

2.5 Propagação em reservatório – Método Puls

É o método mais conhecido na determinação da vazão de saída em um

reservatório. Ele é obtido por meio da equação da continuidade aplicada em intervalos

de tempo discretos, supondo que os volumes de líquido que entram e saem do

reservatório são lineares entre intervalos de tempo consecutivos e que não há

contribuição lateral.

O método é definido pela equação 15, em que à esquerda da igualdade

encontram-se os termos indeterminados e à direita encontram-se os termos

conhecidos da equação.

2 ∙ 𝑆𝑡+∆𝑡

∆𝑡+ 𝑄𝑡+∆𝑡 = 𝐼𝑡 + 𝐼𝑡+∆𝑡 +

2 ∙ 𝑆𝑡

∆𝑡− 𝑄𝑡 (14)

Onde 𝑆𝑡 é o volume armazenado no reservatório no tempo 𝑡 em m³; 𝑆𝑡+∆𝑡 é o

volume armazenado no reservatório no tempo 𝑡 + ∆𝑡 em m³; 𝑄𝑡 é a vazão de saída do

reservatório no tempo 𝑡 em m³/s; 𝑄𝑡+∆𝑡 é a vazão de saída do reservatório no tempo

𝑡 + ∆𝑡 em m³/s; 𝐼𝑡 é a vazão de entrada no reservatório no tempo 𝑡 em m³/s; 𝐼𝑡+∆𝑡 é a

19

vazão de entrada no reservatório no tempo 𝑡 + ∆𝑡 em m³/s; e ∆𝑡 é a duração do

intervalo de tempo em segundos (TUCCI, 1998, p.136).

Os termos indeterminados da equação 15 no intervalo de tempo 𝑡 qualquer

(2 ∙ 𝑆𝑡+∆𝑡

∆𝑡⁄ e 𝑄𝑡+∆𝑡) serão os termos 2 ∙ 𝑆𝑡

∆𝑡⁄ e 𝑄𝑡 respectivamente no próximo

intervalo de tempo (𝑡 + ∆𝑡), desta forma, o hidrograma de saída do reservatório é

determinado por iteração.

Collischonn e Tassi (2008, p. 215) afirmam que “o método pode ser utilizado

para dimensionamento de reservatório de controle de cheias e para análise de

operação de reservatórios em geral”.

2.6 Pacote computacional IPHS1

Sendo uma ferramenta matemática criada para representar o ciclo hidrológico,

os modelos hidrológicos vêm sendo utilizados com o propósito de buscar respostas

para as variadas situações de uma bacia hidrográfica, de modo que isso propiciou a

criação de diversos modelos (TUCCI, 1998, p.13). Apesar do grande número de

modelos hidrológicos disponíveis, na metodologia desta monografia utilizou-se

somente o modelo IPHS1, que apresenta bons resultados de chuva-vazão para

médias e grandes bacias (VIEGAS FILHO et al, 2004; TASSI et al, 2004).

O IPHS1 é um modelo que começou a ser desenvolvido na década de 1980

pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas – IPH, da Universidade Federal do Rio Grande

do Sul – UFRGS. Ele foi escrito em Fortran e possui uma interface desenvolvida em

Delphi (figura 1) (VIEGAS FILHO et al. 2004).

O IPHS1 é um software modulado e criado para fins didáticos, assim, ele

possibilita o usuário escolher a combinação de algoritmos existentes na literatura, de

maneira que ele elabore seu próprio modelo (figura 2). Este software tem seu código

fonte aberto, sendo estruturado em “operações hidrológicas”, oferecendo as seguintes

opções: escoamentos em rios; propagação em reservatórios; transformação

precipitação-vazão na bacia; entrada soma ou derivação de hidrogramas (TASSI et

al, 2004).

20

Figura 1 – Interface gráfica do Modelo IPHS1.

Figura 2 – Interface gráfica do Modelo IPHS1 em que é possível selecionar a

metodologia empregada para as simulações chuva-vazão.

21

3. MATERIAIS E MÉTODOS

A biblioteca hidrológica Hydrolib foi escrita em Python, uma linguagem de

programação criada por Guido Van Rossum no Instituto Nacional de Matemática da

Computação da Holanda (CWI), no início da década de 1990. Ela tinha como principal

objetivo auxiliar físicos e engenheiros a programar seus códigos (COELHO, 2007). Os

algoritmos foram escritos utilizando o software Enthought Canopy® versão 1.5.1.2730

(figura 3) que é um ambiente integrado de aplicação científica e analítica da linguagem

Python possuindo diversas bibliotecas inclusas na versão da linguagem Python

operada pelo programa (Enthought Scientific Computing Solutions, 2015).

Figura 3 – Interface gráfica do software Enthought Canopy.

Além de ser programada em Python, a biblioteca hidrológica Hydrolib tem seu

código fonte aberto, podendo assim, ser adaptada por meio de modificações nas

funções existentes ou por meio de novas rotinas. A biblioteca também conta com as

vantagens que a linguagem tem a oferecer, como a simples sintaxe e ampla

documentação, ser uma linguagem gratuita, poder ser utilizada em ambiente

22

multiplataforma (Windows, Linux, Andriod, Ios, etc), além de possuir vasta quantidade

de bibliotecas disponíveis (LUTZ, 2009) e também por sua precisão de 53 bits para

números flutuantes (Python Software Foundation, 2015).

Para construir um pacote computacional ou um modelo a partir da biblioteca

Hydrolib, o usuário precisa escrever uma rotina que deve importar as funções da

biblioteca na ordem desejada. Essa rotina pode ser escrita em qualquer linguagem de

programação, já que códigos em Python podem ser chamados por rotinas escritas em

outras linguagens (LUTZ, 2009, p. 15).

Por se tratar da descrição de uma biblioteca computacional, a metodologia

desta monografia foge um pouco do convencional. Assim, durante os resultados,

descreve-se a biblioteca e os modelos que nela foram programados, para então,

avaliar a eficácia da biblioteca por meio de um modelo hidrológico escrito em Python.

Este modelo foi denominado MHE – Modelo Hidrológico Ecotecnologias, que chama

as rotinas da biblioteca Hydrolib para simular operações hidrológicas, sendo assim,

uma aplicação de exemplo do uso da biblioteca.

23

4. RESULTADOS

4.1 Hydrolib e Suas Capacidades

A biblioteca Hydrolib em sua versão 1.0 é usada para a estimativa de funções

hidrológicas, permitindo um ambiente colaborativo para o desenvolvimento de

modelos hidrológicos, sendo capaz de simular eventos de chuva-vazão pelo método

SCS e dimensionamento de reservatórios pelo método de Puls já descritos no capítulo

2. Outras operações hidrológicas poderão ser adicionadas à biblioteca nas próximas

versões.

Na versão atual o usuário pode fornecer uma série de precipitação observada

e/ou fornecer os parâmetros da equação IDF para gerar uma série de precipitação

desacumulada. Há somente um tipo de equação IDF habilitada nesta versão, no

entanto, está preparada para incorporar novos tipos no futuro.

A biblioteca possui rotinas de ordenamento de séries pelo método dos blocos

alternados, cálculo de precipitação efetiva utilizando o método SCS de separação do

escoamento superficial; cálculo de tempo de concentração pela equação de Kirpich;

cálculo de hidrograma unitário triangular sintético do SCS; convolução; plotagens para

operações de chuva-vazão; cálculo e plotagens de cenários de chuva-vazão; cálculo

de saída de vazão de reservatórios e método de Puls. No apêndice A encontram-se

informações sobre as funções existentes na biblioteca.

4.2 O Modelo Hidrológico Ecotecnologias

O MHE é um modelo escrito em Python que foi desenvolvido como uma

aplicação de exemplo do uso da biblioteca. Ele é responsável por aplicar os dados de

entrada nas funções da biblioteca e gerar uma saída de dados organizada.

O modelo está na versão 1.075 (figura 4) e possui uma interface gráfica

simplificada, entretanto, os dados de entrada e operações hidrológicas a serem

24

simuladas são escritos em um editor de texto simples, tal como o bloco de notas do

Windows® (figura 5), que deve ser selecionado pelo usuário ao executar o modelo.

Ao final das simulações, o modelo MHE gera a saída de dados no mesmo diretório do

arquivo de entrada, que é composta por arquivos de texto (figura 6) (formato .ohy) e

caso solicitado pelo usuário, gerar gráficos que facilitem a análise dos resultados por

meio da utilização das funções de plotagem da biblioteca (figura 7 e 8) (formato .png).

No apêndice B encontra-se um pequeno manual de uso deste modelo.

Figura 4 – Interface gráfica simplificada do Modelo Hidrológico Ecotecnologias

Figura 5 – Exemplo de arquivo de entrada usado no MHE.

25

Figura 6 – Exemplo de saída de dados do MHE para simulações chuva-vazão

(formato .ohy).

Figura 7 – Exemplo de saída de dados do MHE para uma simulações chuva-

vazão (formato .png).

26

Figura 8 – Exemplo de saída de dados do MHE para uma simulações chuva-

vazão (formato .png).

4.3 Avaliação da Biblioteca Hydrolib

Avaliou-se a eficácia da biblioteca hidrológica Hydrolib por meio de uma

comparação do MHE com o modelo IPHS1 em diferentes escalas. Como já descrito,

o IPHS1 é um modelo computacional modulado, e da mesma forma que o Hydrolib,

pretende permitir ao usuário montar seu próprio modelo. No entanto, atendendo

limitações computacionais de quando foi programado, e às próprias necessidades da

época, ele foi programado em Fortran com uma precisão limitada (precisão de 4 bits,

quando comparada com a precisão de 53 bits do Python). Desta forma, se pretende

analisar nas diferentes escalas o comportamento de ambos os modelos.

As simulações realizadas tiveram apenas objetivo de comparar a saída de

dados gerada pelos modelos, de modo que os aspectos físicos envolvidos não foram

rigorosamente representados, como ocorre em estudos de caso.

Foram propostas simulações chuva-vazão de nove bacias hidrográficas

hipotéticas, com áreas de drenagem variando entre 10 km² e 0,0001 km² (10 km², 1

km², 0,1 km², 0,05 km², 0,01 km², 0,005 km², 0,001 km², 0,0005 km² e 0,0001 km²). O

tempo de concentração dessas bacias foi calculado pela equação de Kirpich, apesar

27

das condições do tipo de bacia e declividade serem não atendidas. A equação resultou

em 74,43 minutos, 30,67 minutos, 12,64 minutos, 9,68 minutos, 5,21 minutos, 3,99

minutos, 2,15 minutos, 1,64 minutos e 0,88 minutos respectivamente. Em função do

intervalo de tempo adotado na simulação (20 segundos), o tempo de concentração da

bacia de área 0,0001 km² foi considerada em 1 minuto. A diferença de cota de cada

bacia foi calculada adotando declividade de 0,01 m/m para todos os casos, resultando

em 44,72 metros, 14,14 metros, 4,47 metros, 3,16 metros, 1,41 metros, 1,00 metro,

45 centímetros, 32 centímetros e 14 centímetros.

Na simulação, utilizou-se um hietograma de projeto obtido a partir da equação

IDF do posto IPH da cidade de Porto Alegre – RS, com duração de 4320 intervalos de

tempo de 20 segundos (totalizando um dia) e tempo de retorno de 10 anos. A

distribuição temporal do evento chuvoso, discretizado a cada 20 segundos, foi

realizada com a metodologia dos blocos alternados. Para determinar a chuva efetiva

foi utilizado o método do CN (Curve Number) do SCS (valor: 85 - bacia urbana:

bastante urbanizada), e a propagação do escoamento superficial, feita com o método

do Hidrograma Unitário Triangular do SCS.

Os resultados gerados pelos modelos foram colocados em planilha eletrônica,

e para facilitar a análise, elaborou-se um gráfico para cada área simulada. Cada

gráfico contém duas curvas (uma azul e outra laranja), que representam os valores do

hidrograma de projeto calculados pelos modelos MHE e IPHS1 respectivamente.

Ambos modelos tiveram resultados semelhantes para simulações de chuva-

vazão com áreas de 10 km², 1 km², 0,1 km² e 0,05 km² (figuras 16 a 19, apêndice C).

Entretanto, nota-se divergência crescente nos resultados dos modelos para as

simulações de chuva-vazão com áreas de 0,01 km², 0,005 km², 0,001 km², 0,0005 km²

e 0,0001 km² (figuras 20 a 24, apêndice C).

A divergência nos resultados das simulações com áreas menores que 0,05 km²

é decorrente da precisão de números reais (float) da linguagem Fortran, utilizada para

programar o IPHS1. Como os valores calculados para estas simulações são da ordem

de 0,001 m³/s, exige-se da linguagem uma grande precisão de números decimais para

representá-los.

Como o Fortran trabalha com 4 bits de números binários para aproximação

decimal (CHAPMAN, 1998, p.418), não são bem representados pela linguagem os

valores do hidrograma de projeto das simulações com áreas menores que 0,05 km².

Desta maneira, estes valores são arredondados ou truncados, resultando em um

28

número maior ou menor ao calculado. Já a linguagem Python, por trabalhar com 53

bits de números binários para aproximação decimal (Python Software Foundation,

2015), possui a precisão exigida para representar tais valores, evitando os problemas

de arredondamento e truncamento ocorridos com o uso da linguagem Fortran.

Além da maior precisão nos resultados, o modelo MHE foi programado para

utilizar as funções de plotagem da biblioteca Hydrolib, gerando 2 gráficos para cada

simulação chuva-vazão (figuras 25 a 42, Apêndice D).

29

5. CONCLUSÃO

A partir das simulações realizadas verifica-se a eficácia da biblioteca

hidrológica Hydrolib para simulações de chuva-vazão. Além disso, nota-se que a

biblioteca apresentou resultados mais satisfatórios que o modelo IPHS1 para as

simulações chuva-vazão com áreas menores que 0,05 km² por decorrência da

precisão da linguagem utilizada para programar o modelo e a biblioteca.

Evidencia-se que outros estudos aos moldes desta monografia serão

necessários em breve, já que a biblioteca encontra-se em fase de desenvolvimento e

outras rotinas serão agregadas à ela.

Salienta-se também, a necessidade de desenvolver ferramentas

computacionais que sejam capazes de gerar resultados satisfatórios independente da

escala de estudo, possibilitando analisar com rapidez e confiabilidade, maior número

de eventos hidrológicos ocorrentes na bacia hidrográfica.

5.1 Sugestões de desenvolvimentos futuros

Em vista das contribuições trazidas por esta monografia, seguem algumas

sugestões para trabalhos futuros:

a) Desenvolvimento de novas rotinas para a biblioteca hidrológica Hydrolib,

adicionando outras opções de metodologias para cálculo das operações

hidrológicas existentes;

b) Programação de outras operações hidrológicas a fim de ampliar os usos

da biblioteca;

c) Integração da biblioteca com softwares de ambiente SIG, possibilitando

seu uso dentro deste tipo de software;

d) Estudos de casos utilizando as funções da biblioteca, testando o

desempenho da mesma frente a problemas mais complexos.

30

6. APÊNDICES

6.1 Apêndice A – Funções programadas na biblioteca hidrológica Hydrolib

versão 1.0.

Tabela 1 – Resumo das funções da biblioteca Hydrolib.

Nome da função Descrição

calcular_PrecipitacaoDesacumulada

Calcula a chuva desacumulada a partir de uma IDF.

aplicar_BlocosAlternados

Aplica o método dos blocos alternados em uma serie de dados de chuva desacumulada, retornando a precipitação ordenada.

calcular_PrecipitacaoEfetiva_CN

Calcula a precipitação efetiva usando o método SCS a partir de uma série de chuva.

calcular_TC_Kirpich

Calcula o tempo de concentração de uma bacia em horas.

calcular_HUT_SCS

Calcula o tempo de subida, o tempo de base e a vazão de pico do hidrograma unitário triangular.

aplicar_Convolucao

Calcula o hidrograma das simulações chuva-vazão.

plotar_Hidrogramas_PQ

Plota os gráficos das simulações chuva-vazão.

plotar_Cenarios_PQ

Plota os gráficos dos cenários para simulações chuva-vazão.

calcular_VazaoSaida_Puls

Calcula a curva de saída de vazão de um reservatório.

aplicar_Puls

Calcula o hidrograma amortecido pelo método simplificado de Puls.

31

6.1.1 Função calcular_PrecipitacaoDesacumulada

Hydrolib.calcular_PrecipitacaoDesacumulada(nintc, dt, tr, a, b, c, d)

Gera uma série de precipitação desacumulada em uma variável do tipo lista

(list), em milímetros, calculada a partir de uma equação IDF. Seus argumentos são

explicados a seguir:

a) “nintc” representa o número de intervalos de tempo com chuva, formato:

inteiro (int);

b) “dt” representa a duração do intervalo de tempo em segundos, formato:

inteiro (int);

c) “tr” representa o tempo de retorno em anos, formato: inteiro (int);

d) “a” representa o parâmetro a da equação IDF, formato: ponto flutuante

(float);

e) “b” representa o parâmetro b da equação IDF, formato: ponto flutuante

(float);

f) “c” representa o parâmetro c da equação IDF, formato: ponto flutuante

(float);

g) “d” representa o parâmetro d da equação IDF, formato: ponto flutuante

(float).

Exemplo de uso:

a) Pdes = Hydrolib.calcular_PrecipitacaoDesacumulada(1440, 60, 10,

509.86, 0.196, 10.0, 0.72)

32

6.1.2 Função aplicar_BlocosAlternados

Hydrolib.aplicar_BlocosAlternados(Pdes, nintc, dt, pospico)

Retorna uma série de precipitação ordenada a uma variável do tipo lista (list)

utilizando o método dos blocos alternados, descrito no capítulo 2. Seus argumentos

são explicados a seguir:

a) “Pdes” armazena os valores da série de precipitação desacumulada que

será reordenada, formato: lista (list);

b) “nintc” representa o número de intervalos de tempo com chuva, formato:

inteiro (int);

c) “dt” representa a duração do intervalo de tempo em segundos, formato:

inteiro (int);

d) “pospico” representa a posição em que o pico será colocado em

porcentagem decimal, formato: ponto flutuante (float).

Exemplo de uso:

a) Pord = Hydrolib.aplicar_BlocosAlternados([,,,], 1440, 60, 0.5)

6.1.3 Função calcular_PrecipitacaoEfetiva_CN

Hydrolib.calcular_PrecipitacaoEfetiva_CN(cn, Pord, nint, nintc, dt)

Retorna uma série de precipitação efetiva a uma variável do tipo lista (list),

calculada pelo método de separação do escoamento – SCS, descrito no capítulo 2.

Seus argumentos são explicados a seguir:

a) “cn” representa o parâmetro adimensional CN do método, formato: ponto

flutuante (float);

b) “Pord” armazena os valores da série de precipitação ordenada e

desacumulada em milímetros que será utilizada no método, formato: lista

de dados (list);

33

c) “nint” representa o número de intervalos de tempo da simulação,

formato: inteiro (int);

d) “nintc” representa o número de intervalos de tempo com chuva, formato:

inteiro (int);

e) “dt” representa a duração do intervalo de tempo em segundos, formato:

inteiro (int).

Exemplo de uso:

a) Pef = Hydrolib.calcular_PrecipitacaoEfetiva_CN(80.00, [,,,], 1440, 1440,

60)

6.1.4 Função calcular_TC_Kirpich

Hydrolib.calcular_TC_Kirpich(deltaH, L)

Retorna o tempo de concentração da bacia em uma variável do tipo ponto

flutuante (float) em horas, calculada pela equação de Kirpich, descrito no capítulo 2.

Seus argumentos são explicados a seguir:

a) “deltaH” representa a diferença de cotas em metros ao longo do curso

d’água principal, formato: ponto flutuante (float);

b) “L” representa o comprimento em quilômetros do curso d’água principal,

formato: ponto flutuante (float).

Exemplo de uso:

a) TC = Hydrolib.calcular_TC_Kirpich(50.00, 10.00)

34

6.1.5 Função calcular_HUT_SCS

Hydrolib.calcular_HUT_SCS(TC, area, dt)

Retorna o tempo de subida do hidrograma em horas; a vazão de pico em m³/s;

e o tempo de base em horas do hidrograma unitário sintético, todas em variáveis do

tipo ponto flutuante (float). Seus argumentos são explicados a seguir:

a) “TC” representa o tempo de concentração da bacia em horas, formato:

ponto flutuante (float);

b) “area” representa a área da bacia em quilômetros, formato: ponto

flutuante (float);

c) “dt” representa a duração do intervalo de tempo em segundos, formato:

inteiro (int).

Exemplo de uso:

a) ts, Qpico, tb = Hydrolib.calcular_HUT_SCS(1.21, 10.00, 60)

6.1.6 Função aplicar_Convolucao

Hydrolib.aplicar_Convolucao(tb, Qpico, ts, dt, nint, Pef)

Retorna o hidrograma de projeto para uma variável do tipo lista (list) em m³/s,

calculado pelo método da convolução. Seus argumentos são explicados a seguir:

a) “tb” representa o tempo de base em horas do hidrograma unitário

triangular do SCS, formato: ponto flutuante (float);

b) “Qpico” representa a vazão de pico em m³/s do hidrograma unitário


c) “ts” representa o tempo de subida em horas do hidrograma unitário


d) “dt” representa a duração do intervalo de tempo em segundos, formato:

inteiro (int);

35

e) “nint” representa o número de intervalos de tempo da simulação,


f) “Pef” armazena os valores da série de precipitação efetiva e

desacumulada em milímetros que será utilizada na função, formato: lista

de dados (list).

Exemplo de uso:

a) hidrograma = Hydrolib.aplicar_Convolucao(0.2, 2.1, 0.05, 60, 1440, [,,,])

6.1.7 Função plotar_Hidrogramas_PQ

Hydrolib.plotar_Hidrogramas_PQ(hidrograma, Pord, Pef, nint, dt, dir, local, i)

Esta função não retorna nenhuma variável, mas é responsável por plotar e

salvar as imagens das simulações de chuva-vazão. Seus argumentos são explicados

a seguir:

a) “hidrograma” armazena os valores do hidrograma de projeto em m³/s,

formato: lista de dados (list);

b) “Pord” armazena os valores da série de precipitação ordenada e

desacumulada em milímetros que será utilizada no método, formato: lista

de dados (list);

c) “Pef” armazena os valores da série de precipitação efetiva e

desacumulada em milímetros que será utilizada na função, formato: lista

de dados (list);

d) “nint” representa o número de intervalos de tempo da simulação,



inteiro (int);

f) “dir” representa o diretório em que serão salvos os gráficos, formato:

string (str);

g) “local” é usada no título dos gráficos e representa o local onde é feita a

operação hidrológica, formato: string (str);

h) “i” representa o número da operação hidrológica, formato: inteiro (int).

36

Exemplo de uso:

a) Hydrolib.plotar_Hidrogramas_PQ([,,,], [,,,], [,,,], 1440, 60, ’C:\Users\...’,

‘Bacia ...’, 1)

6.1.8 Função plotar_Cenarios_PQ

Hydrolib.plotar_Cenarios_PQ(hidrogramas, cen_anos, nint, dir, local, i)

Esta função não retorna nenhuma variável, mas é responsável por plotar e

salvar os gráficos dos cenários de chuva-vazão calculados. Seus argumentos são


a) “hidrogramas” armazena os dados dos hidrogramas em m³/s que serão

plotados, formato: lista de dados (list). Esta variável pode ser entendida

como uma matriz, em que cada linha dela estejam os valores do

hidrograma de projeto para um ano simulado;

b) “cen_anos” armazena os anos de recorrência das simulações chuva-

vazão, formato: lista de dados (list);

c) “nint” representa o número de intervalos de tempo da simulação,


d) “dir” representa o diretório em que serão salvos os gráficos, formato:

string (str);

e) “local” é usada no título dos gráficos e representa o local onde é feita a

operação hidrológica, formato: string (str);

f) “i” representa o número da operação hidrológica, formato: inteiro (int).

Exemplo de uso:

a) Hydrolib.plotar_Cenarios_PQ([[,,,], [,,,], [,,,], ...], [,,,], 1440, ’C:\Users\...’,

‘Bacia ...’, 1)

37

6.1.9 Função calcular_VazaoSaida_Puls

Hydrolib.calcular_VazaoSaida_Puls(vert, orif, curva_cota)

Retorna a curva de vazão de saída de um reservatório em uma variável do tipo

lista (list) a partir de informação de estruturas de saída de vazão fornecidas pelo

usuário. Seus argumentos são explicados a seguir:

a) “vert” armazena as informações de cada estrutura de vertedor existente

no reservatório, formato: lista (list). Esta variável pode ser entendida

como uma matriz, em que cada linha dela estejam os valores

correspondentes a um vertedor. A informação é armazenada (para cada

vertedor) da seguinte forma: coeficiente C do vertedor (adimensional);

comprimento de soleira (em metros); altura vertical (em metros); e a cota

que o vertedor está localizado (em metros);

b) “orif” armazena as informações de cada estrutura de orifício existente no

reservatório, formato: lista (list). Esta variável pode ser entendida como

uma matriz, em que cada linha dela estejam os valores correspondentes

a um orifício. A informação é armazenada (para cada orifício) da

seguinte forma: coeficiente C do orifício (adimensional); área do orifício

(em metros²); altura vertical (em metros); e a cota que o orifício está

localizado (em metros);

c) “curva_cota” armazena os valores de cota em metros da curva cota-

volume, formato: lista de dados (list).

Exemplo de uso:

a) Qsaida = Hydrolib.calcular_VazaoSaida_Puls([[,,,], [,,,], [,,,], ...], [[,,,], [,,,],

[,,,], ...], [,,,])

38

6.1.10 Função aplicar_Puls

Hydrolib.aplicar_Puls(curva_cota, curva_vol, hidrog, nint, dt, cota_in, Qsaida)

Retorna o hidrograma amortecido em m³/s para uma variável do tipo lista (list)

calculada pelo método de Puls, descrito no capítulo 2. Seus argumentos são


a) “curva_cota” armazena os valores de cota em metros da curva cota-

volume, formato: lista de dados (list);

b) “curva_volume” armazena os valores de volume em m³ da curva cota-

volume, formato: lista de dados (list);

c) “hidrog” armazena os valores do hidrograma de entrada no reservatório

em m³/s, formato: lista de dados (list);

d) “nint” representa o número de intervalos de tempo da simulação,



inteiro (int);

f) “cota_in” representa a cota inicial do reservatório, formato: ponto

flutuante (float);

g) “Qsaida” armazena os valores da curva de esvaziamento do reservatório

em m³/s, formato: lista de dados (list).

Exemplo de uso:

a) hidSaida = Hydrolib.aplicar_Puls([,,,], [,,,], [,,,], 1440, 60, 40.50, [,,,])

39

6.2 Apêndice B – Manual rápido de uso do Modelo Hidrológico

Ecotecnologias

6.2.1 Escrevendo arquivos de entrada

O MHE é um exemplo de ferramenta computacional que utiliza as funções da

biblioteca hidrológica Hydrolib para simular eventos hidrológicos. Por ser um modelo

simples e que se encontra em fase de desenvolvimento, sua interface gráfica não foi

finalizada, de maneira que o usuário ainda precisa escrever os arquivos de entrada

manualmente. Contudo, em versões futuras, a interface do modelo será aprimorada

de maneira que o usuário poderá escrever seus arquivos de entrada utilizando um

passo-a-passo incluso no modelo. Nas figuras 9 a 14 apresentam-se algumas

imagens de como ficará tal passo-a-passo.

Figura 9 – Janela das informações gerais da simulação.

40

Figura 10 – Janela de escolha de entrada da série precipitação no modelo.

Figura 11 – Janela das informações específicas das séries de precipitação

calculadas por equações IDF.

41

Figura 12 – Janela de escolha das operações hidrológicas disponíveis até

então.

Figura 13 – Janela das informações específicas das simulações chuva-vazão.

Figura 14 – Janela onde informa-se o diretório que o arquivo de entrada será

salvo.

42

6.2.2 Estrutura do arquivo de entrada

Para facilitar o entendimento, o arquivo de entrada usado para as simulações

desta monografia (figura 15) será explicado linha a linha.

Figura 15 – Exemplo de arquivo de entrada do MHE versão 1.075.

Salienta-se que a separação dos dados no arquivo de entrada é feita pelo ponto

e vírgula (;), assim, cada linha é discretizada em blocos, que serão explicados em

sequência. Os dados lidos pelo modelo são julgados conforme a linha a que eles

pertencem, dessa forma, o usuário deve ter ciência do significado de cada bloco.

Adverte-se que na ausência ou excesso do separador, ou no esquecimento do

mesmo no final de cada linha, faz com que o modelo tenha seu funcionamento

comprometido. Ressalta-se também, que toda a informação escrita no arquivo de

entrada deve ser feita com letras maiúsculas e sem acento, exceto para as linhas de

cabeçalho, cuja informação é desprezada.

43

Assim que o usuário seleciona o arquivo de entrada o modelo começa a ler seu

conteúdo. Entretanto, somente a informação contida após a palavra “INICIO”, que

deve estar localizado no começo da linha, é armazenada pelo modelo (vide linha 2,

figura 15). Isto é feito para proporcionar um espaço onde o usuário possa escrever

algumas informações a respeito da modelagem que será realizada (linha 1, figura 15).

Este espaço foi nomeado de cabeçalho, sendo de uso opcional e podendo conter

várias linhas, já que toda sua informação é desprezada pelo modelo.

Na linha 2, após a palavra “INICIO”, encontram-se 5 valores, que são eles:

número de intervalos de tempo; duração do intervalo de tempo (em segundos);

número de chuvas da simulação; número de intervalos de tempo com chuva; e número

de operações hidrológicas.

Na linha 3, após a palavra “CENARIOS”, é o local onde o usuário deve informar

os anos de interesse para simulação de cenários de chuva-vazão. Os anos aqui

informados devem ser número inteiros e separados por ponto e vírgula. Caso o

usuário não tenha interesse neste tipo de simulação, basta informar zero (vide linha

3, figura 15).

A partir daqui, o número de linhas lida pelo modelo depende dos valores do

número de chuvas da simulação e do número de operações hidrológicas (informados

na linha 2 deste exemplo). Em função disto, o primeiro bloco da próxima linha (vide

linha 4, figura 15) deve esclarecer se a informação corresponde a chuva ou a operação

hidrológica, isto é feito com o uso das palavras “CHUVA” e “OPERACAO”.

Caso o primeiro bloco da linha for “CHUVA”, informa-se em seguida o número

da chuva. O usuário deve certificar-se de que as chuvas possuem números distintos

e em sequência (exemplo: 1, 2, 3, ...). A última informação da linha é opcional, porém,

recomenda-se que se escreva alguma característica da chuva para facilitar eventuais

verificações e/ou correções no arquivo. A próxima linha (linha 5, figura 15), deve conter

as características desta chuva. As informações contidas nesta linha são:

a) Caso o primeiro bloco for “IDF”, informa-se em seguida o tipo da

equação IDF que será usada (somente um tipo disponível na versão

1.0), posição do pospico (porcentagem decimal), o tempo de retorno

(em anos), e os 4 parâmetros da IDF (a, b, c e d).

b) Caso o primeiro bloco for “OBS”, informa-se em seguida o nome do

arquivo que contém os dados observados. Este arquivo deve estar em

44

formato de texto (.txt), conter um dado por linha e estar localizado no

mesmo diretório que o modelo.

Caso o primeiro bloco da linha for “OPERACAO” (como ocorre na linha 6, figura

15), o usuário deve informar na sequência o número da operação hidrológica e o nome

da bacia que a operação corresponde. Assim como na chuva, o usuário é responsável

por verificar se as operações estão enumeradas de forma distinta e sequencial. O

último bloco (nome da bacia que a operação corresponde) é usado como título dos

gráficos que o modelo é capaz de produzir. A próxima linha (linha 7 do exemplo) deve

conter características desta operação.

a) Como o primeiro bloco da linha (linha 7 neste exemplo) é “PQ”, informa-

se em seguida qual das chuvas que esta operação chuva-vazão vai

utilizar. Na linha seguinte informa-se o algoritmo de separação do

escoamento (nesta versão somente há o método CN do SCS) e o valor

do CN no segundo bloco (vide linha 8, figura 15). Na terceira linha

informa-se o algoritmo de propagação do escoamento superficial (nesta

versão somente há o hidrograma unitário triangular do SCS), em seguida

informa-se área da bacia em km² e no terceiro bloco, o tempo de

concentração da bacia em horas. Há a opção de calcular o tempo de

concentração pela equação de Kirpich, para isso basta escrever

“KIRPICH” no terceiro bloco, e adicionar outros dois blocos ao final, o

primeiro com a diferença de cota em metros, e o segundo com o

comprimento do canal em quilômetros.

b) Caso o primeiro bloco da linha 7 fosse “PULS”, se trataria de uma

operação pelo método simplificado de Puls. Como o método não foi

testado, sua entrada de dados é detalhada no manual do MHE.

Recomenda-se cuidado ao utilizar esta função, pois sua eficácia ainda

não foi avaliada. As demais linhas do arquivo de entrada (linhas 10 até

41, figura 15) são para dar a entrada das demais operações chuva-vazão

da modelagem.

45

6.3 Apêndice C – Resultados das simulações chuva-vazão em bacias de

diferentes escalas

Figura 16 – Gráfico dos hidrogramas de projeto da simulação chuva-vazão com

área de drenagem de 10 km².


área de drenagem de 1 km².

46


área de drenagem de 0,1 km².



47





48





49



6.4 Apêndice D – Saída de dados (formato .png) do MHE para chuva-vazão

Figura 25 – Gráfico do hidrograma de projeto da simulação chuva-vazão com

área de drenagem de 10 km² do MHE.

50

Figura 26 – Gráfico de comparação entre precipitação e precipitação efetiva

para a simulação chuva-vazão com área de drenagem de 10 km² do MHE.


área de drenagem de 1 km² do MHE.

51


para a simulação chuva-vazão com área de drenagem de 1 km² do MHE.


área de drenagem de 0,1 km² do MHE.

52


para a simulação chuva-vazão com área de drenagem de 0,1 km² do MHE.



53





54





55





56





57





58



59

7. ANEXOS

7.1 Anexo A – Valores aproximados para o coeficiente CN

Tabela 4 – Valores aproximados do parâmetro CN para diferentes condições

de cobertura vegetal, uso do solo e tipos de solos (A: solos arenosos e de alta

capacidade de infiltração; B: solos de média capacidade de infiltração; C solos com

baixa capacidade de infiltração; D solos com capacidade muito baixa de infiltração)


Condição A B C D

Florestas 41 63 74 80

Campos 65 75 83 85

Plantações 62 75 82 87

Zonas comerciais 89 92 94 95

Zonas industriais 81 88 91 93

Zonas residenciais 77 85 90 92

Fonte: TASSI, R. & COLLISCHONN, W., Introduzindo Hidrologia, p. 107.

60

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CHAPMAN, S. J., Fortran 90/95 for scientists and engineers, 1 ed. Estados Unidos,

1998. cap. 8, p. 418-473.

COELHO, F. C., Computação Científica com Python: Uma introdução para

programação para cientistas. 1 ed. Petrópolis – RJ, 2007. 269 p.

ENTHOUGHT Canopy. Enthought Scientific Computing Solutions, Estados

Unidos, 2015. Disponível em: <https://www.enthought.com/>. Acesso em: 15 dez.

2015.

LUTZ, M.; ASCHER, D., Aprendendo Python. 2 ed. Porto Alegre – RS, 2007. 568 p.

PYTHON 2.7.11rc1 documentation. Python Software Foundation, Estados Unidos,

2015. Disponível em: <https://docs.python.org/2.7/>. Acesso em: 21 nov. 2015.

TASSI, R. & COLLISCHONN, W. – Introduzindo Hidrologia. IPH UFRGS, 2008. 274

p.

TASSI, R. et al. Manual de Fundamentos do IPHS1 – Versão Preliminar – em PDF.

IPH/UFRGS, Porto Alegre – RS, 2004. 45 p.

TUCCI, C. E. M. et al. Drenagem Urbana. 1 el. Porto Alegre: Ed. Universidade

UFRGS, 1995. 428 p.

TUCCI, C. E. M. et al. Hidrologia Ciência e Aplicação. 4 ed. Porto Alegre: Ed.

Universidade UFRGS/ABRH, 2012. 943 p.

TUCCI, C. E. M. – Modelos Hidrológicos. 1. ed. Porto Alegre: Ed. da Universidade

UFRGS, 1998. 669 p.

61

VIEGAS FILHO, J. S. et al. Manual do Usuário IPHS1 para Windows, v. 2.11 –

Versão PDF. IPH/UFRGS, Porto Alegre – RS, 2004. 46 p.

DESENVOLVIMENTO DA BIBLIOTECA HIDROLÓGICA …coral.ufsm.br/engcivil/images/PDF/2_2015/TCC_VITOR...

Documents

Transcript of DESENVOLVIMENTO DA BIBLIOTECA HIDROLÓGICA …coral.ufsm.br/engcivil/images/PDF/2_2015/TCC_VITOR...