Modelo hidrológico para grandes bacias hidrográficas, MGB/IPH

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1 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO Modelo hidrológico para grandes bacias hidrográficas, MGB/IPH Walter Collischonn IPH UFRGS Manaus, 25 de junho de 2009

2 Esta apresentação Modelagem hidrológica Modelagem de grandes bacias Objetivos Modelo MGB-IPH Resultados preliminares Amazonia

3 Por que modelos? Uma bacia hidrográfica ou um sistema hídrico h mais complexo. Muitos usuários. Interesses diversos. Conflitos Complexidade.

4 Modelo: representação esquemática Identificar objetos que fazem parte do processo que se deseja representar

5 Modelo: representação esquemática Identificar objetos que fazem parte do processo que se deseja representar: trecho de rio Reservatório Sub-bacia lago estação de bombeamento ponte cachoeira banhado confluência etc

6 Representação esquemática

7 Objetos hidrológicos gicos Objetos hidrológicos gicos como trechos de rio, confluências, reservatórios, rios, bacias, etc. Cada objeto pode ser representado por um conjunto de equações, conforme estudado em Hidrologia I Equações podem ser resolvidas analiticamente ou numericamente

8 Modelagem hidrológica

9 Modelagem hidrológica chuva-vazão vazão Extensão de séries s de vazão Previsão em tempo real Análise de cenários climáticos ( e se a chuva dos próximos 10 anos for 5% menor?) Ferramenta para auxiliar a compreender os processos hidrológicos.

10 Modelagem hidrológica chuva-vazão vazão Historicamente mais desenvolvida em pequenas bacias (décadas de 60 a 90) A partir da década d de 90 atenção começou ou a se voltar para bacias de grande escala

11 Problemas de hidrologia de grandes bacias em que é útil a modelagem chuva-vazão vazão Analisar a variabilidade plurianual do clima (impacto das flutuações climáticas ticas) Avaliar impactos hidrológicos das mudanças as de uso da terra Fazer previsão de níveis n e vazão em tempo real Avaliar impactos das mudanças as climáticas Renaturalizar séries de vazão perturbadas por retiradas de água e por operação de reservatório. rio.

12 Quais são os processos que contribuem para a variabilidade plurianual da vazão de uma bacia? Rio Paraguai em Ladário

13 Quais são os processos que contribuem para a variabilidade plurianual da vazão de uma bacia? 6000 Vazão média mensal (m3/s) Dez/62 Dez/64 Dez/66 Dez/68 Dez/70 Dez/72 Dez/74 Dez/76 Dez/78 Dez/80 Dez/82 Rio Paraguai em Porto Esperança, MS - ( km 2 )

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

15 Como é possível aproveitar as previsões meteorológicas no manejo de recursos hídricos? Previsão do modelo regional do CPTEC - INPE

16 Quais são os impactos da mudança a de cobertura vegetal da bacia na vazão dos rios?

17 Quais são as conseqüências das mudanças as de uso do solo em larga escala? Rio Taquari, MS. Vazão (m3/s) jul-69 jul-71 jul-73 jul-75 jul-77 jul-79 jul-81 jul Área ocupada (1000 ha) bovinos soja Ano

18 Mudanças as climáticas Qual será a alteração na vazão e na disponibilidade de energia elétrica se a chuva na bacia do rio Paraná,, a montante de Itaipu, tiver uma redução de 5% na média como consequencia do aquecimento global?

19 Modelo MGB-IPH Baseado nos modelos LARSIM e VIC-2L. Subdivide bacia em células c ou minibacias (+ - 10x10 km) Utiliza intervalo de tempo diário ou menor Representa variabilidade interna das célulasc Desenvolvido para grandes bacias (> 10 4 km 2 )

20 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO O modelo MGB-IPH Processos de preparação de dados Hidrografia MDE Direções de fluxo Comprimentos Áreas Declividades Mini-bacias Dados de chuva Dados meteorol. Arquivos de parâmetros Imagens de satélite Mapa de vegetação Mapa de solos Mapa de blocos PREPRO Arquivo Cell Séries de vazão INTERPLU Água no solo Previsão de vazão Chuva interpolada MGB

21 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO O modelo MGB-IPH Processos de preparação de dados Hidrografia MDE Imagens de satélite SIG Direções de fluxo Mapa de vegetação Mapa de solos Comprimentos Mapa de blocos Áreas PREPRO Declividades Mini-bacias Arquivo Cell Dados de chuva Dados meteorol. INTERPLU Chuva interpolada Séries de vazão Água no solo Previsão de vazão Arquivos de parâmetros MGB

22 Processos representados Evapotranspiração Interceptação Armazenamento de água no solo Escoamento nas células c Escoamento em rios e reservatórios rios

23 Dados 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

24 Tópicos MGB-IPH Discretização Pré-processamento SIG Interpolação de dados de chuva Rede de drenagem Calibração Aplicações anteriores Resultados preliminares Amazonia

25 Discretização

26 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO Discretização MGB-IPH Situação original: divisão em células c quadradas Projeto da Amazonia: divisão em pequenas bacias (minibacias), compatíveis com Otto-bacias.

27 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO Discretização antiga: células células de mesmo tamanho; sem conformidade com a topografia; necessário definir sentido da drenagem; independente do método, sempre ocorrerão erros. Células quadradas

28 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO Discretização atual: minibacias células de tamanhos variáveis; com conformidade com a topografia; características hidrológicas mais homogêneas; sentido único e definido de drenagem: seu exutório; Minibacias

29 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO Discretização Amazonia: Modelo Digital de Elevação SRTM Arquivo Raster

30 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO Discretização do modelo em mini-bacias

31 Discretização Fluxograma de operações Arc-GIS para aplicação do MGB-IPH em qualquer bacia Manual em preparação

32 Discretização final PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO

33 Discretização final PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO

34 Pré-processamento

35 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO Dados de solos e vegetação Áreas de comportamento hidrológico similar Uso do solo Tipo de solo Operações SIG Blocos

36 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO Informações necessárias por mini-bacia Topologia; área de drenagem local; área de drenagem acumulada; centróide; comprimento do rio; comprimento do maior afluente; declividade do rio; declividade do maior afluente; porcentagem da área por bloco.

37 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO Programa PREPRO_AM DADOS DE ENTRADA

38 Programa PREPRO Fortran Integrado ao ArcGIS

39 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO Modelo Digital de Elevação SIG SIG Mini Lrl_(km) Srl_(m/km) MiniJus Ordem Hdr BLC_01 BLC_... BLC_N 55, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,0264 5, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

40 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO

41 Planícies de inundação Relação nível versus área alagada: Extrai informação do MNT Ex.: Trecho rio Negro (Minibacia 6657) Área Alagada ( km 2 ) Nível (m)

42 Planícies de inundação Relação nível versus área alagada: Extrai informação do MNT Ex.: Trecho rio Negro (Minibacia 6657) Área Alagada ( km 2 ) Nível (m)

43 Planícies de inundação Relação nível versus área alagada: Extrai informação do MNT Ex.: Trecho rio Negro (Minibacia 6657) Área Alagada ( km 2 ) Nível (m)

44 Planícies de inundação Relação nível versus área alagada: Extrai informação do MNT Ex.: Trecho rio Negro (Minibacia 6657) Área Alagada ( km 2 ) Nível (m)

45 Rede de drenagem

46 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO Seções transversais dos rios Dados utilizados seções transversais (perfis) medidas nos postos fluviométricos ajuste de seções tipo elaboração de relação largura x área da bacia Dados fornecidos ao MGB equação da relação entre largura e área de drenagem relação entre cota e área inundável para cada trecho hidrodinâmico

47 Parâmetros seções transversais Seção Tipo Seção Tipo A H B -Relações Geomorfológicas: B = a b A d H A = = a' a'' b' A d b'' A d

48 Ajuste seção tipo: 310 estações fluviométricas Bacias Amazonas e Tocantins Mínimos Quadrados + Otimização Relações Geomorfológicas

49 Relações Geomorfológicas Área de drenagem versus largura y = 0,8054x 0,5289 R = 0,77 B (m) A d (km 2 )

50 Relações Geomorfológicas Área de drenagem versus profundidade 100 y = 1,4351x 0,1901 R = 0,72 H (m) A d (km 2 )

51 Relações Geomorfológicas Área de drenagem versus área molhada y = 1,1558x 0,719 R = 0, A (m 2 ) A d (km 2 )

52 Perfil longitudinal Perfil longitudinal A A Z(x) A A z 0 (x) Z(x)-ε(x) z AA AA ε(x) H(x)+H veg (x) Zmnt Hveg Zmnt x H Z0

53 Interpolação de dados de chuva

54 Dados de chuva PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO Dados originais uma série de dados para cada posto pluviométrico Dados de entrada do MGB uma série de dados para cada mini-bacia Programa INTERPLU Pluviômetros Centróides das minibacias

55 O modelo MGB-IPH PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO ET i,j PC i EI i,j Cell i Model grid cells Wm W i, j P i,j Dbas i,j Dsup i,j Dint i,j Qsup Qsub Qbas River channel Cell downstream of cell i

56 Calibração Definição dos valores dos parâmetros de forma a gerar vazões semelhantes às observadas 3 etapas: Estimativa inicial de faixa de valores possível Calibração manual Calibração automática tica multi-objetivo (algoritmo MOCOM)

57 Aplicações realizadas ou em andamento 1. São Francisco 2. Corumbá 3. Paranaíba* 4. Grande 5. Paraná* 6. Uruguai 7. Taquari-Antas 8. Paraguai 9. Madeira 10.Tapajós 11.Caí 12.Quaraí 13. Piranhas-Açu

58 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO O modelo MGB-IPH Aplicações anteriores

59 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO O modelo MGB-IPH Aplicações anteriores 66 W 64 W 62 W 60 W 58 W 56 W 54 W 14 S Upstream boundary conditions 14 S 1 P. Espiridião 7 Coxim 2 Cáceres 8 F. Rio Negro 3 Cuiabá 9 Aquidauana 3 4 Rondonópolis 10 Estr.MT Estr. BR Negro (Bol.) 2 / 16 S 16 S 6 Piquiri Drainage network of the distributed hydrologic model 5 6 Drainage network of the 18 S hydrodynamic model 18 S 7 Points of interest P. Esperança 20 S 20 S UPPER BASIN 9 10 J au ru 11 C u i a b á Miranda Co Ta qua ri S. Lourenç o rr e n e N eg ro Aquid. t It s iqu ira 8 4 P. Murtinho 22 S 22 S rag u y a P a LOWER BASIN Pinasco Concepción 24 S 24 S Rosario Asunción Pilcomayo 26 S 26 S km Bermejo Corrientes P a ra n á 66 W 64 W 62 W 60 W 58 W 56 W 54 W Rio Paraguai Rio São Francisco

60 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO O modelo MGB-IPH Aplicações anteriores na Amazonia: rio Madeira Vazão (m 3 /s) Observado Calculado / 01/ 84 31/ 12/ 84 31/ 12/ 85 31/ 12/ 86 31/ 12/ 87 30/ 12/ 88 30/ 12/ 89 30/ 12/ 90 Tempo ( dias)

61 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO O modelo MGB-IPH Aplicações anteriores na Amazonia: rio Tapajós

62 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO O modelo MGB-IPH Versão Amazonia Abrangência de toda a bacia (incluindo Tocantins e Amapá) Integração com ArcGIS Discretização em mini-bacias Possibilidade de recalibração Propagação de vazão com modelo hidrodinâmico planícies de inundação Interface com usuário Previsão de vazões assimilação de dados observados uso de previsões de tempo e clima

63 Primeira Simulação Bacia Amazônica Resultados Preliminares

64 Simulação bacia Amazônica + Bacia Tocantins + Amapá

65 Discretização final

66 12 Blocos:

67 Precipitação: Postos pluviométricos + reanálise (NCEP, National Center for Environmental prediction - )

68 Dados meteorológicos: Reanálise (ECMWF, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)

69 Parâmetros: Parâmetros emprestados de aplicação no rio Uruguai

70 Parâmetros: Parâmetros emprestados de aplicação no rio Uruguai

71 Parâmetros: Parâmetros emprestados de aplicação no rio Uruguai

72 Resultados rio Xingu: Observado Simulado Q (m3/s) /1/1986 1/1/1987 1/1/ /12/ /12/ /12/ /12/1991

73 Resultados rio Tapajós: Observado Simulado Q (m3/s) /1/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/2000

74 Resultados rio Tapajós: Observado Simulado Q (m3/s) /1/1986 1/1/1987 1/1/ /12/ /12/ /12/ /12/1991

75 Resultados rio Madeira: Observado Simulado Q (m3/s) /1/1995 1/1/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/2000

76 Resultados rio Solimões: Observado Simulado Q (m3/s) /1/1986 1/1/1987 1/1/ /12/ /12/ /12/ /12/1991

77 Resultados rio Purus: Observado Simulado Q (m3/s) /1/1986 1/1/1987 1/1/ /12/ /12/ /12/ /12/1991

78 Resultados rio Solimões: Observado Simulado Q (m3/s) /1/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/1997

79 Resultados rio Solimões: Observado Simulado Q (m3/s) /1/1995 1/1/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/2000

80 Resultados rio Juruá: Observado Simulado Q (m3/s) /1/1995 1/1/ /12/ /12/ /12/ /12/ /12/2000

81 Resultados rio Juruá: Observado Simulado Q (m3/s) /1/1993 1/1/1994 1/1/1995 1/1/ /12/ /12/ /12/1998

82 Resultados rio Negro: Observado Simulado Q (m3/s) /1/1986 1/1/1987 1/1/ /12/ /12/ /12/ /12/1991

83 Resultados rio Negro: Observado Simulado Q (m3/s) /1/1986 1/1/1987 1/1/ /12/ /12/ /12/ /12/1991

84 Resultados rio Tocantins: Observado Simulado Q (m3/s) /1/1986 1/1/1987 1/1/ /12/ /12/ /12/ /12/1991

85 Resultados rio Amazonas em Óbidos: Observado Simulado Q (m3/s) /1/ /5/ /9/1988 9/2/ /6/1991

86 Desenvolvimento modelo hidrodinâmico Testes Rio Solimões

87 Área de estudo: 80 W 75 W 70 W 65 W 60 W 55 W 50 W 45 W 5 N 5 N 0 0 Rio Amazonas Rio Negro Rio Rio Rio Japurá Rio Juruá Rio Tapajós Rio Xingu Rio Solimões Solimões 5 S 5 S Purus Rio Tocantins Rio Araguaia Rio Madeira 10 S 10 S Rio Ucayali 15 S 15 S 20 S 20 S 80 W 75 W 70 W 65 W 60 W 55 W 50 W 45 W

88 Área de estudo:

89 Postos Fluviométricos: Legenda Posto Fluviométrico Posto Fluviométrico - Cota Bacia do rio Solimões Limite Internacional

90 Postos pluviométricos + Reanálise NCEP (National Center for Environmental prediction - ): " " " " " " " " " " " " " " " " " " Legenda Postos Pluviométricos " Reanálise Limite Internacional Bacia do rio Solimões " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "

91 Discretização: Trechos de rio Minibacias

92 Discretização modelo hidrodinâmico: Seções transversais de cálculo

93 Vazões: Rio Jutaí Estações fluviométricas Vazão observada e simulada

94 Vazões: Rio Juruá Estações fluviométricas Vazão observada e simulada

95 Vazões: Rio Purus Estações fluviométricas Vazão observada e simulada

96 Vazões: Rio Purus Estações fluviométricas Vazão observada e simulada

97 Vazões: Rio Solimões (Manacapuru) Estações fluviométricas Vazão observada e simulada

98 Níveis d água: Rio Jutaí Estações fluviométricas Nível d água observado e simulado

99 Níveis d água: Rio Juruá Estações fluviométricas Nível d água observado e simulado

100 Níveis d água: Rio Purus Estações fluviométricas Nível d água observado e simulado

101 Níveis d água: Rio Solimões Estações fluviométricas Nível d água observado e simulado

102 Inundação: Legenda: Profundidade d'água (m) 20 0 Elevação (m) nov-95

103 Inundação: Legenda: Profundidade d'água (m) 20 0 Elevação (m) jan-96

104 Inundação: Legenda: Profundidade d'água (m) 20 0 Elevação (m) mar-96

105 Inundação: Legenda: Profundidade d'água (m) 20 0 Elevação (m) mai-96

106 Inundação: Legenda: Profundidade d'água (m) 20 0 Elevação (m) jul-96

107 Inundação: Legenda: Profundidade d'água (m) 20 0 Elevação (m) ago-96

108 Inundação: Legenda: Profundidade d'água (m) 20 0 Elevação (m) out-96

109 Validação áreas alagadas: Áreas alagadas simuladas Cheia mai/jun 1996

110 Validação áreas alagadas: Áreas alagadas observadas Cheia mai/jun 1996

111 Validação áreas alagadas: Mapa de erros Cheia mai/jun 1996

112 PROJETO INTEGRADO DE COOPERAÇÃO AMAZÔNICA E DE MODERNIZAÇÃO DO MONITORAMENTO HIDROLÓGICO Grupo de Pesquisa em Clima e Recursos Hídricos H do IPH (download de artigos, teses, programas e relatórios) rios)