MODELAGEM HIDROLÓGICA EM BACIAS COM ALTA RESOLUÇÃO TEMPORAL: ESTUDO DE CASO NA BACIA DO VACACAI...

XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

MODELAGEM HIDROLÓGICA EM BACIAS COM ALTA RESOLUÇÃO

TEMPORAL: ESTUDO DE CASO NA BACIA DO VACACAI MIRIM

Vinícius Kuchinski1; Taiane Menezes Conterato

2; Mateus Henrique Schmidt

3; Daniel G. Allasia

Piccilli4; Maria do Carmo Cauduro Gastaldini

5

Resumo – A modelagem dos recursos hídricos é uma importante ferramenta de auxílio na tomada

de decisão pelos gestores, porém deve ser utilizada com cautela, haja vista que é possível obter

qualquer resultado do modelo, sendo esta simulação próxima dos fenômenos reais ou não. Com

base nisso, o objetivo deste estudo foi a aplicação do modelo hidrológico WIN_IPH2 para se obter

estimativas de vazão na bacia hidrográfica Alto da Colina, que é uma bacia integrante da bacia

hidrográfica do rio Vacacaí Mirim, uma importante bacia da região central do Estado do Rio

Grande do Sul. A série temporal analisada contemplou um período de 36 meses entre 2004 e 2007.

A calibração do modelo de forma automática, através das funções objetivo, e também de forma

manual, por meio de parâmetros da literatura e de tentativa e erro, expressaram um resultado

preciso. Porém, ao tentar validar a calibração, os resultados obtidos não foram satisfatórios. O

mesmo aconteceu ao aplicar os parâmetros calibrados à série completa. Os resultados não foram

satisfatórios e inviabilizam a utilização do modelo proposto ao caso de estudo, sugerindo uma nova

etapa de estudos, com uma série de dados.

Palavras-Chave – modelagem, hidrologia, chuva-vazão.

HYDROLOGIC MODELING IN WATERSHED WITH HIGH TEMPORAL

RESOLUTION: CASE STUDY IN VACACAI MIRIM

Abstract – The modeling of water resources is an important tool to support in decision making by

managers, but has to be used with caution, given the fact that you can get any results from the

model, and can be a close simulation of real phenomena or not. Based on this, the objective of this

study was the application of the hydrological model WIN_IPH2 to obtain estimative of flow in the

drainage basin Alto da Colina, which is a small part of river basin Vacacaí Mirim, an important

watershed in the central region of Rio Grande do Sul State. The data series included a period of 36

months between 2004 and 2007. The calibration of the model automatically, through the objective

functions, also manually, using parameters from the literature and trial and error, expressed a

satisfactory result. But when the validation of these parameters was done, the results were not good.

The same happened when those parameters were applied to complete series. The results were not

consistent and do not permit the use of the proposed model to the case of study, suggesting new

studies in this area, with another range of data.

Keywords – modeling, hydrology, rainfall-runoff

1 Afiliação: Universidade Federal de Santa Maria – [email protected]* 2 Afiliação: Universidade Federal de Santa Maria – [email protected] 3 Afiliação: Universidade Federal de Santa Maria – [email protected] 4 Afiliação: Universidade Federal de Santa Maria – [email protected] 5 Afiliação: Universidade Federal de Santa Maria – [email protected]

mailto:[email protected]






INTRODUÇÃO

A modelagem hidrológica surge como uma ferramenta para avaliação do comportamento

hidrológico de bacias hidrográficas. Basicamente, a modelagem é uma simulação espacial/temporal

dos fenômenos que ocorrem no mundo real de uma forma simplificada e reproduzida de maneira

particular.

A bacia hidrográfica Alto da Colina possui área de 2,02 km², possuindo características rurais à

montante e urbana no exutório da bacia. Desta forma, tem a maior porcentagem de uso e ocupação

do solo em área agrícola e campos, ainda possui no seu interior um pequeno reservatório, pequenas

propriedades e muitas estradas de terra (SOUZA, 2012).

Com relação ao rio Vacacaí Mirim, é um rio com nascente no município de Itaara, localizada

na porção centro-ocidental do Estado do Rio Grande do Sul e que desagua no rio Jacuí. Sua bacia

hidrográfica tem população de 384.657 (SEMA, 2014).

Nesta conjuntura, objetivou-se a aplicação do modelo hidrológico WIN_IPH2 que, tem sido

aplicado com muito sucesso em bacias com uma discretização temporal horária (MOREIRA, 2005)

e temporal diária (MINE, 1998) para se obter estimativas de vazão na bacia hidrográfica Alto da

Colina, que é uma bacia integrante da bacia hidrográfica do rio Vacacaí Mirim. Desta forma,

avaliando sua resposta a eventos chuvosos para, enfim, validar o uso do modelo nesta bacia.

METODOLOGIA

Área de estudo

A Bacia Hidrográfica Alto da Colina, figura 1, localiza-se no município de Santa Maria-RS,

estendendo-se pelos bairros Camobi, São José e Pains. Está localizada nas coordenadas geográficas

54º43’37’’ de latitude sul e 29º41’70’’ de longitude oeste, às margens da rodovia RS-509,

seccionada pela RS-287. Possui no seu interior pequeno reservatório, pequenas propriedades e

muitas estradas de terra.

A área da bacia hidrográfica é de 2,02 km², com características rurais à montante e urbana no

exutório da bacia. A tabela 1 contém os dados de características físicas da bacia hidrográfica.

Tabela 1 – Características físicas da Bacia Hidrográfica Alto da Colina.

Parâmetro Alto da Colina

Área de drenagem (A) 2,02 km²

Perímetro da Bacia (P) 6,05 km

C. do Rio Principal (Lp) 1,90 km

Tempo de concentração (tc) 15 a 30 minutos

Elevação máxima 145 m

Elevação mínima 112,60 m

Fonte: Adaptado de Meller (2004).

Meller (2004) apresenta as porcentagens com relação ao uso e ocupação do solo. Portanto,

pastagem/campo nativo e agricultura representam 31,35% e 28,10%, enquanto urbanização

(22,33%), mata nativa/reflorestamento (8,70%), solo exposto (5,66%), mata ciliar (2,69%), pomar

(0,81) e água (0,36%) completam o uso e ocupação da Bacia Alto da Colina.

Obtenção dos dados

O rio Vacacaí Mirim é monitorado pelo Grupo de Pesquisa em Recursos Hídricos –

GHIDROS há doze anos. Para a bacia hidrográfica do Alto da Colina, existem dois pluviógrafos e


um linígrafo. Para a realização deste estudo foram utilizados dados de monitoramento da estação

pluviométrica Vila Maria e para a estação fluviométrica Alto da Colina I.

Foi escolhida uma série histórica de 3 anos, compreendendo de 01/2004 até 01/2007. Esse

período foi escolhido por apresentar uma série sem falhas, porém trata-se de um período curto,

podendo não demonstrar toda a variabilidade de dados que aconteceram e virão a acontecer.

Figura 1 – Localização da Bacia Hidrográfica Alto da Colina e os pontos de monitoramento.

A curva-chave utilizada na estação Alto da Colina é apresentada por Meller (2004) e foi

utilizada porque a seção de monitoramento não apresentou variação significativa desde então.

Descrição do modelo IPH II

O modelo IPH II, na descrição de Bravo et al. (2007), é um modelo determinístico para

simulação chuva-vazão, é composto pelos seguintes algoritmos: perdas por evaporação e

interceptação, separação dos escoamentos, propagação do escoamento superficial e propagação do

escoamento subterrâneo.

O algoritmo de perdas utiliza um único parâmetro (Rmax), que reflete a capacidade de

armazenamento máximo em um reservatório de perdas. O algoritmo de separação do escoamento

utiliza os parâmetros I0, Ib e h, característicos da equação de infiltração de Horton. Os parâmetros I0

e Ib representam as capacidades inicial e mínima de infiltração do solo, respectivamente, e h é igual

a e-k

, sendo e a base dos logaritmos neperianos e k um parâmetro empírico, relacionado ao tipo de

solo. A propagação do escoamento superficial no modelo é feita através do método de Clark, que

utiliza os parâmetros tempo de concentração (tc) e o histograma tempo-área. (BRAVO et al., 2007)

Calibração e Validação

Com relação à calibração, esta foi feita de maneira automática e manual, utilizando as funções

objetivos que estão presentes no modelo, além de utilizar valores da literatura para bacias

hidrográficas semelhantes à área de estudo deste trabalho. Dessa forma, calibrou-se o modelo para a

1/6 da série histórica e, por fim, realizou-se a validação do modelo com outro intervalo da série,

confirmando a utilização deste modelo para a bacia Alto da Colina.


RESULTADOS E DISCUSSÃO

Dados hidrológicos

A série de dados hidrológicos, que compreende os anos de 2004 e 2007 é mostrada na figura

2. É importante destacar que os dados apresentados na forma de gráfico são meramente de caráter

ilustrativo, portanto, de fácil visualização, porém não é possível tirar conclusões analisando apenas

a ilustração.

Dados de entrada

Os dados de entrada do modelo são os dados gerais hidrológicos e os dados da bacia

hidrográfica. Os dados hidrológicos estão compreendidos em um intervalo de tempo de 10 minutos,

pois o tempo de concentração da bacia é em torno de 30 minutos. As características da bacia

hidrográfica são: área da bacia 2,02 km², área impermeável 15,90%, coeficiente de forma do HTA

1,50, o tempo de concentração em intervalos de tempo é 3,00. Como a utilização do modelo é

indicada para períodos de seca, as condições iniciais de percolação (m³/s), vazão subterrânea (m³/s)

e vazão superficial (m³/s) são 0,00 para os três parâmetros.

Figura 2 – Representação das cotas diárias e dos dados de precipitação diários.

Os dados de evaporação foram estimados através de uma modificação de Thornthwaite a

níveis mensais, posteriormente descarregados nos intervalos de tempo de cálculo. Já os dados de

temperatura foram obtidos banco de dados do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), que

mantem uma estação de monitoramento na cidade em questão.

Calibração

A série destacada na figura 2 pelo retângulo de cor cinza é compreendida como a série de

dados utilizada para calibração do IPH II. Esta série representa sete meses de monitoramento e é

especialmente em período de estiagem, pois o modelo IPH II pede que o início da série seja seco

para se obter melhores respostas do modelo.

Inicialmente foi utilizada a calibração automática monobjetivo para se obter uma estimativa

dos parâmetros mais representativos para a bacia em estudo. Desta forma, variou-se a função

objetivo de 1 a 7, sendo eles: desvio padrão, desvio absoluto médio, desvio quadrático relativo

médio, desvio quadrático inverso, coeficiente de Nash-Sutcliffe, desvio relativo médio e erro de

volume, respectivamente.

0

1

2

3

4

5

6

70

5

10

15

20

25

30

Jan-04 Jul-04 Feb-05 Aug-05 Mar-06 Sep-06V

azã

o (

m³/

s)

Pre

cip

ita

ção

(m

m)

P (mm)


O conjunto de imagens abaixo reproduz a sensibilidade do modelo com relação às mudanças

dos parâmetros ajustáveis (I0, IB, H, KS, KSUB, RMÁX, Alfa). Desta forma, a partir dos dados de

precipitação e evaporação, o modelo reproduz a vazão gerada (linha azul) e faz a comparação com a

vazão observada (linha preta).

Após a calibração automática monobjetivo, os resultados mostram que os parâmetros de IB, H,

RMÁX e Alfa tem pouca variação, enquanto que I0, KS e KSUB tem grande variação. Servindo, assim,

como informação base para a calibração manual. A figura 3 mostra os resultados da calibração da

função objetivo do coeficiente de Nash-Sutcliffe.

Figura 3 – Resultados da calibração monobjetivo da função objetivo de Coef. Nash-Sutcliffe.

Pela análise monobjetivo, fica claro que a calibração carece de alguns ajustes, pois a dispersão

não segue a linha bissetriz que indica o quão próxima da realidade está a simulação. As funções 1, 5

e 7 são funções que tem os parâmetros diferentes, porém tem um comportamento semelhante.

Pela análise multiobjetivo, fica claro que a calibração carece de alguns ajustes, pois ora os

valores calculados são acima dos observados e outrora os valores calculados estão sendo

subestimados em comparação aos valores observados.

Germano et al. (1998) ajustaram os parâmetros de calibração para diversas bacias

hidrográficas. Para auxiliar na calibração do modelo à bacia em estudo, foram utilizados os

parâmetros de Germano et al. (1998) para aquelas bacias que tem características semelhantes a

Bacia Hidrográfica Alto da Colina, gerando a tabela 2.

O conjunto de parâmetros para a bacia de Jaguarão foi o que melhor se adaptou ao caso

proposto. A Figura 4 mostra a resposta do modelo aos parâmetros de Jaguarão, onde as vazões

calculadas foram superestimadas, alcançando valores próximos a 10 m³/s.

Tabela 2 – Parâmetros calibrados para bacias similares a Bacia Alto da Colina.

Bacia Hidrográfica I0 IB H KS KSUB RMÁX Δt (min)

Beco do Carvalho 11 0,6 0,7 2,4 20 2-25 30

Cascatinha II 14 0,4 0,9 1,5 20 6-25 30

Arroio Meio 10 0,4 0,6 0,5 10 0-11 30

Saint Hilaire 12 0,4 0,9 20 5 5-13 30

Jaguarão 9 0,4 0,74 10 20 0-5 10

Casa de Portugal 10 0,4 0,78 8 20 0-5,2 30

Jacaré 12 0,4 0,77 5 10 0-7,8 10

Fonte: Adaptado de Germano et al. (1998)


Desta forma, após a utilização da calibração automática mono e multiobjetivo e da utilização

de parâmetros calibrados da literatura, enfim foi feita a calibração manual. A calibração manual se

mostrou um tanto quanto acertada, com um coeficiente Nash-Sutcliffe de 0,85 e um desvio relativo

médio de 0,53%, isso pode ser observado na figura 5. O gráfico de dispersão mostra que os valores

calculados de pico são um pouco maiores que os observados. Os parâmetros individualmente são

exibidos na tabela 3.

Figura 4 – Resultados obtidos da calibração com os parâmetros de Jaguarão.

Figura 5 – Resultados obtidos da calibração manual.

Tabela 3 – Parâmetros calibrados manualmente para o ajuste do modelo IPH II a Bacia Alto da

Colina.

I0 IB H KS KSUB RMÁX Alfa

15,00 0,30 0,999 10,00 100,00 4,00 10,00

Assim, fica claro que o modelo calibrado é capaz de representar de forma satisfatória os

fenômenos naturais relacionados com a precipitação, infiltração e geração de escoamento

superficial do local. A discrepância ocorrida nos picos pode ser um indício de que o modelo pode

não servir para a previsão de cheias por não expressar de maneira adequada os valores observados.

Validação do modelo

O período da série utilizado para a validação da calibração é mostrado na figura 3 pelo

retângulo de cor alaranjada. A série de dados representa 6 meses e é compreendida entre janeiro a

julho de 2006, e foi escolhida por ter a mesma representatividade do período de calibração (mesma

época do ano).


Para confirmar e validar aplicou-se os parâmetros calibrados para a série completa. Com base

nisso, a figura 6 traz a simulação de vazão para a série de validação. Evidencia, porém, que a

expectativa não se confirmou, uma vez que os resultados obtidos não estão representando de forma

satisfatória os picos de vazão após as chuvas.

Figura 6 – Simulação do modelo para a série de validação.

Para fins explicativos, o erro de volume ficou na faixa de -28,52 e o coeficiente de Nash-

Sutcliffe 0,33. Isso mostra que a validação não foi exitosa, reproduzindo um resultado que não era

aquele esperado após a calibração. Para a série completa, existem trechos da série onde a vazão

calculada é maior que a vazão observada. Além desse problema, há também o problema com os

picos de vazão que, novamente não foram retratados nos resultados. Os resultados obtidos para o

coeficiente de Nash-Sutcliffe 0,24 e erro de volume 6,10.

Germano et al. (1998) obteve resultados satisfatórios para bacias similares e um intervalo de

tempo dos mesmos 10 minutos, porém o método de cálculo da evaporação utilizada neste trabalho

pode ter prejudicado a utilização do modelo IPH II. Uma vez que o método de Thornthwaite resulta

em valores de evapotranspiração potencial mensal, sendo necessárias diversas adaptações e

simplificações para se obter os valores de evaporação em intervalos de tempo de 10 minutos.

Outra utilização do modelo IPH II que se mostrou exitosa foi o trabalho realizado por

Klingelfus et al. (2009), que aplicaram o IPH II em uma bacia maior (área de drenagem 1.750 km²)

e em eventos isolados de cheias. Comparativamente, a bacia Alto da Colina é deveras menor (área

de 2,02 km²) e a série de dados utilizada foi contínua, contemplando um período de

aproximadamente 3 anos.

Outro fato que pode ter prejudicado a utilização do modelo IPH II nesta bacia foi de que ela

vem sofrendo um processo de urbanização ao longo dos anos, o que pode ser verificado por

trabalhos realizados nesta bacia (exemplo: SOUZA, 2012). Como foi utilizada uma série contínua

ao longo de 3 anos, provavelmente ocorreu um da área impermeável da bacia Alto da Colina,

ocasionando discrepâncias nos resultados simulados.

CONCLUSÕES

O modelo IPH II vem sendo utilizado na bibliografia recente como uma importante

ferramenta para simulação de eventos chuva-vazão e com resultados expressivos em bacias com

alguns km², especialmente centenas de km² com dados horários e diários, porém esse modelo não se

mostrou satisfatório na representação de vazões da bacia hidrográfica do Alto da Colina.


Isso pode ter ocorrido devido a diversos fatores, os mais importantes e que foram percebidos

nesta pesquisa foram: o intervalo de tempo, a evaporação e o aumento da área impermeável da

bacia. O problema do intervalo de tempo é que as aplicações exitosas deste modelo foram com

intervalo de tempo iguais ou superiores a 10 minutos.

Ainda, a evaporação foi calculada pelo método de Thornthwaite, necessitando simplificações

para a obtenção de valores de evaporação em intervalos de 10 minutos. E, por fim, a área

impermeável da bacia Alto da Colina vem aumentando nos últimos anos, resultando em alterações

no escoamento superficial gerado na bacia.

De todo o modo, o modelo IPH II mostrou-se uma ferramenta de fácil manuseio e que pode

ser utilizada pelos gestores para o auxílio na tomada de decisões de problemas que sejam

solucionados através de um simulador, desde que devidamente calibrada e validada.

REFERÊNCIAS

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2004. 164f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil), Universidade Federal de Santa Maria,

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<http://www.sema.rs.gov.br/conteudo.asp?cod_menu=56&cod_conteudo=6120>. Acesso em: 20

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SOUZA, M. M. Carga de poluição difusa em bacias hidrográficas com diferentes impactos

antrópicos. 2012. 181f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil), Universidade Federal de Santa

Maria, Santa Maria, 2012.

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