Modelagem e Simulação hidrológica

Organização

Carlos Ruberto Fragoso Júnior

• MODELAGEM E SIMULAÇÃO HIDROLÓGICA

• Horário: terças 15:20 até 18:00

• Local: Sala do Mestrado do PPGRHS

• Disciplina Eletiva

Objetivo

• Compreender os processos físicos, químicos e biológicos e sua interação em sistemas hídricos para permitir lançar bases para a simulação e comparação de cenários que, por sua vez, subsidiam tomadas de decisão racionais. Estes modelos são aplicados a diferentes usos dos recursos hídricos

Professor

• Carlos Ruberto Fragoso Júnior

Programa

• 1. Introdução à gestão do ambiente e Conceitos Básicos de Modelos

• 2. Fundamentos da modelagem

• 3. Otimização de parâmetros

• 4. Escoamento

• 5. Modelos Conceituais

• 6. Tópicos especiais

Programa

• As aulas serão distribuídas de acordo com a programação apresentada na tabela abaixo, sujeita a alteração de acordo com imprevistos que possam ocorrer durante o semestre. Qualquer alteração será comunicada com antecedência aos alunos.

• Todo material da disciplina será disponibilizado através da página da disciplina em:

• www.ctec.ufal.br/professor/crfj

Aula Conteúdo Horas

1 Introdução à gestão do Ambiente e Conceitos 3

2 Fundamentos da modelagem 6

3 Análise Numérica 9

4 Otimização 12

5 Otimização 15

6 Escoamento 18

7 Escoamento 21

8 Prova 1 24

9 Modelos chuva-vazão 27

10 Modelos chuva-vazão 30

11 Modelos de rios 33

12 Modelos de reservatórios, lagos e estuários 36

13Aspectos práticos e modelos para o gerenciamento em SIG 39

14 Prova 2 42

15 Reposição 45

16 Apresentação dos trabalhos ou prova final

Programa

Bibliografia

• - TUCCI, C.E.M. Modelos Hidrológicos. Editora da UFRGS ABRH 652p

• - Tucci, C. E. M. Hidrologia: Ciência e Aplicação• - Beven, K. 2001 Rainfall-runoff modeling: The primer• - Ponce, V. M. Engineering Hydrology: Principles and

Practice• - McCuen, R. Hydrologic Analysis and design• - Anderson & Burt - Hydrological Forecasting• - Maidment – Handbook of Hydrology• - Righetto, A. M. – Hidrologia e Recursos Hídricos• - Coleção ABRH – Modelos para gerenciamento de

recursos Hídricos

Bibliografia

• Chapra e Canale – Numerical Methods for Engineers

• Chapra – Surface Water Quality Modeling• Wagener, Wheater, Gupta - Rainfall-runoff

modelling in gauged and ungauged catchments• Physical Hydrology (Dingman)• Hydrology: An Introduction - Brutsaert• Singh, V.P.; ed. Computer models of

watershed hydrology. Highlands Ranch, Colorado, Water Resources Publ., 1995.

Bibliografia

• Artigos de periódicos diversos– Klemes, V. 1986 Operational testing of hydrological

simulation models. Hydrological Sciences Journal V. 31 No. 1 pp. 13-24.

– Nash e Sutcliffe, 1970 (Journal of Hydrology)– SINGH, V. P. e WOOHISER, D. A, 2002. Mathematical Modeling

of Watershed Hydrology. Journal of Hydrologic Engineering V 7 N4 July 2473-292.

– Artigo do Gupta sobre o coeficiente de Nash-Sutcliffe considerando variabilidade sazonal (Value of Nash values)

– Perrin, C.; Michel, C.; Andréassian, V. Does a large number of parameters enhance model performance? Comparative assessment of common catchment model structures on 429 catchments. J. Hydrology, 242:275-301, 2001.

Avaliação• Os conceitos serão obtidos pela média de duas provas e por um

artigo individual opcional. A recuperação será de todo o conteúdo do curso. A prova de recuperação é para alunos que faltarem uma prova por qualquer razão e para alunos que desejarem melhorar o seu conceito.

• Não haverá recuperação para alunos que faltarem esta última prova por qualquer razão.

• Avaliação: 2 provas, cada uma com parte teórica e prática, e um trabalho. As provas definem aprovação ou reprovação. O trabalho pode modificar o conceito.

• O aluno de mestrado que obtiver conceito inferior a “D” estará na final.

• O aluno da graduação que obtiver média inferior a 7,0 estará na final.• O aluno de mestrado precisa pelo menos de um conceito “C” para

aprovação

Avaliação

Nota Conceito

10 a 9 A

9 a 8 B

8 a 7 C

< 7 D

Artigo

• O artigo é individual é opcional e deverá ser definido pelo aluno e terá peso de 35% no conceito ou média final.

• O conteúdo do artigo poderá versar sobre temas abordados na disciplina ou outro proposto pelo aluno e aceito pelo professor.

• O artigo é individual de responsabilidade do aluno de mestrado do PPGRHS.

• Os alunos de graduação poderão ser colaboradores dos alunos de mestrado

• O prazo de entrega é na última aula (apresentação e escrito).

• Se por acaso, o aluno estiver na final, ele poderá optar em apresentar o artigo como forma de avaliação final da disciplina.

Algumas idéias para trabalhos

• Calibração IPH-2 com o MOCOM-UA usando ponderadores para ponderar cada uma das simulações

• Calibração do IPH-2 com o MOCOM-UA usando funções objetivo associadas a faixas de vazões (altas x baixas) ou (altas x médias x baixas).

• Hidrograma unitário geomorfológico.• Metodologia dos franceses para estimar HU e perdas

ao mesmo tempo.• Comparação Muskingum-Cunge x Hidrodinâmico para

diferentes situações de vazão, declividade e comprimento de rio.

• Idéias dos alunos.

Outras idéias para trabalhos• Previsão de precipitação em tempo real e o seu uso na previsão de

vazão: métodos, vantagens e desvantagens e tendências;• Modelos hidrológicos de previsão em tempo real de vazão:

distribuídos concentrados, vantagens e desvantagens• O uso de satélites para estimativa da precipitação: como pode

complementar a rede pluviométrica e suas falhas?• Modelos distribuídos para pequenas bacias rurais para avaliação

dos impactos sobre alterações do uso do solo• Técnicas de Otimização associadas com a estimativa dos

parâmetros de modelos hidrológicos: funções objetivo e funções multi-objetivo associada a modelos distribuídos.

• Otimização multi-objetivo de diferentes modelos: hidrológico, qualidade da água, sedimentos e outros

• Integração de SIG com modelos – Como organizar?

Outras idéias para trabalhos• Escalas dos processos hidrológicos e sua representação pelos modelos• Uso de incertezas em associação com a estimativa dos modelos

hidrológicos• Modelos de Grandes bacias: estrutura de balanço, incertezas associadas e

limitações• Otimização e simulação do funcionamento de sistemas de reservatórios:

modelos, usos e limitações• Decision Support Systems em recursos hídricos: estrutura básica,

elementos, principais tipos utilizados.• Evaporação e Evapotranspiração: fundamentos, dados, medidas, técnicas

de modernas de avaliação. • Avaliação do escoamento subterrâneo nos modelos hidrológicos: modelos,

estruturas, estimativa de parâmetros e sua relação com as características das bacias.

• Escoamento em meio não – saturado: formulações utilizadas nos modelos, representação de recargas e fontes.

• Modelos de operação Usos múltiplos: Energia e inundações – volume de espera

• Sistemas integrados de previsão e operação de reservatórios.

Outras idéias para trabalhos• Estimativa do volume de áreas de inundação na propagação no

Pantanal• Simulação com Modelo Muskingun-Cunge não-linear para

conservação de volume em rios• Avaliação da previsão de longo prazo da umidade do solo na bacia

do rio Uruguai• Avaliação de funções multi-objetivo em associação com modelo

distribuído de grandes bacias para extrapolação espacial e temporal

• Estimativa de precipitação com imagens de satélites numa área com precipitação conhecida: Uso de modelos existentes

• Uso do Modelo IPHS1 para simulação de um sistema e análise do comportamento hidrológico

Tarefas adicionais

– Cada aluno escolhe um modelo chuva-vazão para descrever

– Trazer artigos descrevendo o modelo– Cópias para os colegas– Sugestões

• IHACRES• SMAP• TOPMODEL• HYMOD

Experiência uso de modelos

• IPHS1 for Windows (download na internet)• IPH2 versão didática para Windows (Juan

Martin Bravo)

• Exemplos de aplicações• Exemplos de problemas de calibração• Computadores?• Provas práticas podem ser um pouco

trabalhosas.

Internet

• Programa está na Internet• http://www.ctec.ufal.br/professor/crfj• Entre em pós-graduação e depois em

Simulação