Simulação hidrodinâmica via aquisição remota de dados

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1 Simulação hidrodinâmica via aquisição remota de dados Christopher Freire Souza, Walter Collischonn, Carlos Eduardo Morelli Tucci Instituto de Pesquisas Hidráulicas, IPH/UFRGS RESUMO A utilização de dados obtidos por técnica alternativa ao levantamento de campo para simulação parece promissor, principalmente para regiões com maior carência de informação. Neste estudo, investigou-se o comportamento de um modelo hidrodinâmico unidimensional (HEC-RAS) alimentado por dados obtidos via internet, especialmente quanto à aquisição de larguras do rio por sensoriamento remoto (MNT, SRTM) e dados disponíveis no banco de dados Hidroweb (ANA). Dez eventos de cheia foram simulados no Rio São Francisco, com análises de vazão máxima e deslocamento da onda de cheia entre os postos São Francisco e Morpará, no intuito de avaliar a capacidade de subsidiar um sistema hipotético de prevenção de cheia. Os resultados foram considerados satisfatórios, sendo recomendadas algumas alterações à metodologia aplicada visando um melhor desempenho. Palavras-chave: simulação hidrodinâmica; escassez de dados; Rio São Francisco. INTRODUÇÃO A adequada definição e implementação de políticas de manejo do recurso hídrico encontram-se diretamente ligadas à existência e acessibilidade ao conhecimento das características do local de aplicação destas. Muitos estudos na área de recursos hídricos, os quais serviriam inclusive para subsidiar essas políticas, apresentam-se limitados quanto à sua capacidade de reproduzir o comportamento natural em virtude, principalmente, da quantidade exígua de informação disponível. Isto se deve em grande parte à ausência de políticas de monitoramento, à deficiência de aportes financeiros e de recursos humanos qualificados para este fim. Neste sentido, avanços quanto à aquisição e facilidades de acesso a dados providenciam oportunidade interessante. Como alternativa, a aplicação de abordagens que careçam de poucos dados ou utilizem de métodos diferenciados para aquisição pode ser empregada como primeira aproximação, mesmo ciente de suas limitações e incertezas. Este trabalho buscou investigar a capacidade de reprodução da hidrodinâmica de rio de grande porte via aquisição remota de dados, i.e. utilização de dados obtidos da rede mundial de computadores (internet), sem levantamentos hidrológico-topográficos de campo específicos complementares. Justificativa A identificação de metodologias embasadas em aquisição remota de dados que não substitui informações coletadas em campo - auxiliaria no desenvolvimento e implementação de políticas em áreas transfronteiriças e com escassez de dados. Alguns exemplos remontam a estudos envolvendo bacias de interesse para o desenvolvimento, principalmente econômico, incluindo as dos rios Paraguai (compartilhada com a Bolívia) e Uruguai (que faz divisa com Argentina e Uruguai), e muitas das bacias brasileiras (principalmente as do Norte, Nordeste e Centro-oeste do país) acarretando em grande incerteza em suas avaliações. Embora metodologias alternativas, caracterizadas por modelos sem embasamento físico-conceitual (modelos do tipo caixa-preta ), e.g. redes neurais e sistemas de inferência difusa, venham crescendo em aplicação, estes não são capazes de avaliar cenários diferentes do representado nos dados históricos, limitando sua aplicação. MODELAGEM HIDRODINÂMICA EM BACI- AS COM ESCASSEZ DE DADOS Aplicação de modelos hidrodinâmicos Modelos hidrodinâmicos têm sido aplicados para compreensão de comportamento de corpos hídricos, e.g. conhecimento de características para prevenção de cheias e estiagens, e avaliação de sua resposta frente a intervenções humanas, e.g. predição de fluxos posteriores à dragagem de canais, e avaliação de habitats sujeitos à alteração do regime de vazões por operação de reservatórios para espécies de interesse, dispersão de poluentes e transporte de sedimentos. Nestas análises, as variáveis de interesse costumam ser profundidade e velocidade, sendo necessários dados relativos à topografia (batimetria) do corpo hídrico em estudo, suas vazões afluentes e o nível de jusante. Hoje em dia, a simulação hidrodinâmica apresenta-se facilitada pela variedade e acessibilidade de

2 modelos testados, incluindo distribuição gratuita via internet, eximindo o usuário da necessidade de elaboração de tais ferramentas, detalhadas em manuais que os a- companham. No entanto, o uso destas ferramentas apresenta limitações, que no passado já foram maiores (custo computacional), como a disponibilidade e acessibilidade de dados para emprego dos modelos e a existência de usuários capacitados para manuseio destes. Problema da escassez de dados Na atualidade, algumas organizações disponibilizam dados de forma gratuita via internet. Este fato não exclui a necessidade de levantamentos de campo complementares, tendo em vista o número resumido de postos, o espaçamento entre coletas para muitas variáveis, dependendo do objetivo do estudo, e a possibilidade de haver inconsistência nos dados. O advento do emprego de sensoriamento remoto para a coleta de dados hidrológicos tem auxiliado no sentido de preencher esta lacuna de conhecimento ao possibilitar determinação da topografia da região (S- RTM, 2004), entre outros dados de interesse para modelagem hidrológica como precipitação (Collischonn, 2006), evapotranspiração (Giacomoni, 2005), dentre outras variáveis (consulte Valeo et al., 2006). Com isto, e- xiste urgência por definição de técnicas para obter maior quantidade de informação com menor custo financeiro possível quanto investir em coleta de dados em campo e lançamento de satélite? para auxiliar no conhecimento do comportamento real do sistema em estudo, diminuindo as incertezas inerentes à falta de informações. Ainda assim, resta o desconhecimento quanto ao passado, tendo em vista que a instalação de postos de medição e o lançamento de satélites serão capazes de quantificar variáveis apenas para o presente. Uma alternativa interessante é concentrar esforços na definição de técnicas para mensurar o comportamento hidrológico com base em informações veículadas à sedimentação, como acontece em outras áreas e.g. avaliação do comportamento climático pela investigação em anéis de árvore no Brasil (Rigozo et al., 2004), camadas de gelo na Groelândia e conchas fossilizadas no México (Alley, 2005). Metodologias alternativas Metodologias indutivas (Franks et al., 2006), também denominadas top-down (Sivapalan 2003 apud Franks et al., 2006), i.e. que buscam encontrar e definir relações entre variáveis mediante a observação delas mesmas (e.g. redes neurais artificiais e sistemas de inferência difusa), têm avançado bastante recentemente em quantidade aplicações aparecendo como uma alternativa ao emprego de modelos conceituais (dedutivos ou bottom-up). Observa-se, no entanto, a incapacidade destas em prever o comportamento do sistema em análise para cenários onde haja configuração diferente do passado (i.e. alteração de comportamento climático, uso do solo ou intervenção antrópica no regime hidrológico). Outro uso corrente é a associação das duas filosofias de modelagem em virtude da ineficiência (erro) de reprodução do comportamento real, possivelmente pela falta de dados. Valença & Melo (2006) formularam um sistema híbrido composto por SSARR (Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation) e redes neurais artificiais, para propagação de vazões e determinação da afluência ao reservatório de Sobradinho no rio São Francisco. Silva (2005) aplicou modelos estocásticos para tratamento dos resíduos da previsão hidroclimática de vazões em Três Marias e Sobradinho, realizada por combinação de modelo climático e hidrológico distribuídos. Um caminho promissor é a utilização de métodos bottom-up com coleta de dados por técnicas alternativas, e.g. sensoriamento remoto. Cirilo (1991) e Pinheiro (2000) apud Silva (2005) aplicaram modelo hidrodinâmico ao Rio São Francisco para propagação de vazões, utilizando estimativas das larguras do rio por imagens de satélite Landsat IV. Collischonn (2006) utilizou estimativas de precipitação por satélite TRMM em modelo hidrológico distribuído, que podem gerar dados que sirvam de entrada em modelo hidrodinâmico para região sem medida de vazão. Aplicações deste tipo devem ser efetuadas com cautela em virtude da quantidade de incertezas propagadas, característica considerada desvantagem principal no uso de técnicas de regionalização. MATERIAIS E MÉTODOS Para avaliação da capacidade de reprodução do comportamento hidrodinâmico de rio de grande porte com dados obtidos gratuitamente por meio da internet, utilizou-se de: Modelo hidrodinâmico unidimensional consagrado, HEC-RAS (ASCE; Brunner, 2002); Modelo Numérico de Terreno (SRTM, 2004) em resolução 90 x 90 m; Seções transversais medidas em postos fluviométricos ao longo do rio principal (ANA, 2006); Vazões diárias do rio principal e seus a- fluentes (Silva, 2005; ANA, 2006); Níveis diários para condição de contorno de jusante (CHESF, 2005); Aplicativo para processamento de imagens. De posse destes materiais, foram traçados perfis transversais, utilizando o MNT, nos postos fluviométricos com seções transversais medidas (ANA, 2006). O acoplamento visual destes dados foi realizado, possibilitando a confecção de 3 tipos de seção (aqui denominadas Visual1, Visual2 e Visual3, Figura 1) ajustadas visualmente.

3 Figura 1. Seções transversais típicas ajustadas visualmente. A escolha das seções seguiu os seguintes critérios: Visual1. Trata-se da aproximação mais imples para representação de um perfil transversal de rio. Visual2. A adoção de declividades diferentes de zero (0) nas várzeas de inundação teve o intuito de averiguar se a da mudança brusca do raio hidráulico da seção (dado por área dividida pelo perímetro molhado) com a alteração do nível na faixa de extravasamento influencia para o (in)sucesso da simulação. Visual3. Este tipo de seção, embora a- presente necessidade de determinação de maior número de parâmetros, aproxima-se mais da realidade observada em perfis transversais de rios de grande porte, com lagoas de armazenamento nas várzeas de inundação. Estas seções passaram a ser utilizadas em conjunto com os dados hidrológicos obtidos e o traçado do rio ajustado e medido com base no MNT, bem como da definição de demais parâmetros com base em informações da literatura específica. De posse destes, realizou-se a simulação hidrodinâmica do rio principal considerando as afluências de seus tributários onde existisse dado (normalmente os de maior porte), mas sem simulação nestes braços e sim a translação dos dados do posto mais próximo até sua confluência com o rio São Francisco. Aplicou-se apenas contribuição pontual para simulação tendo em vista que o rio São Francisco (caso em estudo) costuma receber pouca contribuição lateral (Silva, 2005) linear (difusa). Caso em estudo A bacia selecionada para estudo é a do Rio São Francisco (Figura 2), com área de km 2 (8% do território nacional) e extensão do rio principal de 2700 km. Fazem parte desta seis estados e o distrito federal até sua desembocadura no Oceano Atlântico. A região é caracterizada por grande desenvolvimento hidroenergético, incluindo as unidades de Três Marias, Sobradinho, Itaparica e Xingó, navegação e existência de cidades lindeiras, suscitando prevenção de cheias e tratamento em situações de estiagens. A bacia do Rio São Francisco foi estudada entre o posto São Francisco e o reservatório de Sobradinho (Figura 2), em virtude do comportamento peculiar na translação da onda de cheia (Silva, 2005) que pode levar 11 dias ( ), num ano hidrológico seco, e 27 dias ( ), noutro úmido (Figura 3), sendo caracterizada como região (assim como o semi-árido) de maiores dificuldades de simulação da bacia. Observe que o tempo de deslocamento da onda de cheia entre os postos São Francisco e Morpará não apresenta relação bem definida com a magnitude da vazão máxima em São Francisco, a menos que se exclua (sem explicação clara para os valores das variáveis neste encontrados) o evento do período (10777,8 m³/s e 29 dias). Assim, uma tendência monotônica linear ascenderia a aproximadamente 6000 m³/s (imediações da vazão de extravasamento), adquirindo um patamar para eventos superiores pela capacidade de amortecimento conferido às várzeas. Para a simulação hidrodinâmica, foram arbitrados valores para os parâmetros rugosidade (0,035 na calha menor e 0,13 na várzea), seguindo características da bacia e tabela exposta em Chow (1959); coeficientes de contração (0,1) e expansão (0,3), sugeridos por Brunner (2002) por serem estes usualmente encontrados em aplicações; e, coeficiente de ponderação do esquema numérico (0,6), para maximizar a precisão (Liggett e Cunge, 1975 apud Tucci, 1998) dentro do intervalo possível (0,6 a 1; Brunner, 2002) para o modelo hidrodinâmico empregado. Quanto aos dados de vazão empregados, deu-se prioridade aos valores obtidos de Silva (2005), sendo estes complementados na ausência de informação em algum dos postos (principalmente o posto São Romão no Rio São Francisco) ou preenchidos por interpolação linear para falhas de poucos dias (máximo de 18 dias). Avaliações da cheia de podem estar comprometidas por ter sido interpolado exatamente o pico do evento. A Tabela 1 e a Figura 4 apresentam características e configurações dos eventos estudados.

4 Figura 2. Localização da bacia e postos fluviométricos considerados. Figura 3. Tempo de viagem da onda de cheia vs. Vazão máxima. Tabela 1. Características e configurações simuladas. Figura 4. Vazão Máxima em São Francisco. Vislumbrando realizar uma investigação ampla quanto ao comportamento do modelo, foram simulados dez (10) eventos ao total (Tabela 1), com variadas magnitudes (de 3287,6 a m 3 /s, ver Tabela 2), dentro do período 1977 a Dois conjuntos de simulações trecho do posto São Romão a Sobradinho (eventos de 78-79, 79-80, e 93-94) e do posto Cachoeira da Manteiga a Sobradinho (eventos de 82-83, 84-85, 85-86, 87-88, e 94-95) são formulados em virtude das falhas apresentadas para os dados de vazão do posto Cachoeira da Manteiga em alguns eventos. A diferença é que o primeiro trecho simulado apresenta-se longitudinalmente encurtado com relação ao segundo, além da ausência de informação do aporte do rio Verde (posto rio

5 Verde II), em virtude da quantidade de falhas nos dados de vazão, o que não deve comprometer dada sua usual baixa magnitude em comparação com as escoadas pelo rio São Francisco. Tabela 2. Tempo de retorno de vazões (ANA, 2006) no posto Morpará, calculado pelo método empírico (Califórnia), para o período RESULTADOS E ANÁLISES Usualmente, a avaliação da capacidade de reprodução da hidrodinâmica por modelos numéricos é e- fetuada comparando conjuntos de estatísticas (e.g. coeficiente de determinação, erro padrão, erro padrão invertido) que priorizam diferentes aspectos de hidrogramas (e.g. vazão de pico, vazão mínima, volume, duração ou taxa de variação da vazão), escolhidas com base no objetivo do estudo. Neste estudo de caso, fez-se predileção por averiguar como se comporta o tempo de viagem da onda de cheia e a representatividade da vazão máxima nos postos São Francisco e Morpará, por sua potencial necessidade de acompanhamento para prevenção de cheias. A Figura 5 e a Figura 6 revelam a aproximação que a simulação hidrodinâmica dos 10 eventos para o perfil transversal Visual3, a mais elaborada das testadas, apresentou para a vazão máxima tanto em São Francisco como em Morpará, o tempo de deslocamento e o abatimento da onda de cheia entre estes postos. Figura 6. Amortecimento da onda de cheia e sua representação. Observa-se (Figura 7) tanto o atraso (78-79 e 94-95) como a antecipação (demais eventos) da cheia para as simulações efetuadas sem relação clara com a magnitude das vazões máximas. Quanto a estas últimas, o erro da estimativa em São Francisco (Figura 8) aumenta com o acréscimo de sua magnitude, subestimando seus valores. Em Morpará (Figura 9), os valores mais próximos à faixa de extravasamento apresentam-se superestimados, enquanto os maiores valores estão em conformidade com o observado no posto São Francisco. As diferenças apresentadas nestas estimativas possivelmente se devem (a) à definição de rugosidades; (b) à translação das vazões dos tributários ao rio São Francisco; (c) à não-inclusão de contribuição difusa (linear) e; (d) aos acoplamentos efetuados entre perfis medidos e estimados por sensoriamento remoto. Figura 5. Relação entre tempo de viagem da onda de cheia e vazão máxima e sua representação. Figura 7. Tempo de viagem da onda de cheia (dias). A calibração de rugosidades, tanto para a calha principal, como para as várzeas, possivelmente auxiliaria no ajuste do tempo de deslocamento da onda de cheia, por ser a vazão bastante sensível à alteração destes parâmetros, amortecendo picos e estiagens com o aumento de seu valor. A translação das vazões dos tributários ao rio São Francisco pode afetar o tempo de viagem e o abatimento (ou amplificação) da onda de cheia. A razão destes está em uma possível superposição irreal de picos de cheia e antecipação destes pela ausência de simulação

6 hidrodinâmica entre o posto, i.e. o local onde se obteve os dados de vazão, e o rio São Francisco. caso o São Francisco, pela utilização de dados de acesso gratuito e de aproximação simplificada para representação espacial do sistema em análise. O objetivo de uso do modelo estudado foi arbitrado para prevenção de cheias, considerando a vazão máxima em dois postos ao longo do rio principal (São Francisco e Morpará) e o tempo de viagem da onda de cheia entre estes como variáveis para análise. Figura 8. Dispersão da vazão máxima (m 3 /s) em São Francisco. Figura 9. Dispersão da vazão máxima (m 3 /s) em Morpará. Embora seja conhecida a pequena contribuição linear ao longo do rio, sua não-inclusão, associado à não consideração (principalmente pela ausência de dados) de tributários de menor porte pode explicar a subestimativa de vazão dos maiores eventos. Os acoplamentos efetuados entre perfis medidos e estimados por sensoriamento remoto (Figura 10) podem influenciar diretamente as variáveis avaliadas (vazão máxima e tempo de viagem de cheia). Os ajustes efetuados podem alterar de forma significativa a vazão que provoca extravasamento em cada um dos postos considerados ao longo do rio São Francisco, alterando o comportamento nas redondezas deste erro. Não se detecta distinção acentuada nos resultados do emprego dos perfis transversais ajustados visualmente, embora o Visual3 apresente suave vantagem. Quanto à avaliação de potencial instabilidade causada pelo salto no raio hidráulico para mudança de níveis próximo ao extravasamento, pela comparação do desempenho dos perfis Visual1 e Visual2, não se revelou diferença entre os resultados que evidenciasse necessidade de tratamento diferenciado. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES Este estudo buscou investigar a capacidade de reprodução da hidrodinâmica de rio de grande porte, no Figura 10. Acoplamento e ajuste visual de perfis. Os resultados apresentam aproximação relativamente boa aos resultados observados, principalmente para o perfil transversal mais elaborado. Observou-se que a subestimativa da vazão máxima é maior quanto mais extremo o evento, com pequenas superestimativas em valores próximos ao extravasamento para o posto de jusante. Quanto ao tempo de viagem da onda de cheia, esta se apresenta antecipada, com exceção dos eventos de e Recomenda-se para maior aproximação à realidade investigações quanto aos valores de rugosidade, a inclusão de trechos dos tributários na simulação e a consideração do aporte linear para eventos extremos de cheia. Caso estes ainda não sejam suficientes, sugere-se a revisão dos acoplamentos efetuados entre os perfis medidos e obtidos via sensoriamento remoto. A metodologia deste estudo mostra-se com potencial de aplicação, principalmente para estimativa inicial, tendo em vista que a coleta de dados agrega informações, devendo ser estimulada para trabalhos com necessidade de maior precisão em suas estimativas. Avanços quanto à melhoria da resolução de MNT e coleta de dados de vazão e nível, associados à disponibilização destes, podem auxiliar no estudo de rios de menor porte. Uma avaliação interessante a ser efetuada em trabalhos futuros é a comparação dos resultados com técnicas com menor necessidade de dados e experiência do usuário. Pode-se ainda avaliar outros aspectos do regime hidrológico, como estiagens, de caráter não menos importante.

7 AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pela concessão de bolsa de doutorado, através do Fundo Setorial CT- HIDRO, a Adriano Rolim da Paz por contribuições na discussão de resultados e a Ferdnando Cavalcanti Silva pelo auxílio na confecção das ilustrações. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Alley, R.B Mudança climática brusca. In: Scientific American Brasil. A Terra na estufa. Edição Especial Nº ANA - Agência Nacional de Águas Hidroweb. Disponível em Brunner, G.W HEC-RAS, River Analysis System Hydraulic Reference Manual. Version 3.1. November p. CHESF Companhia Hidro Elétrica do São Francisco. Departamento de Gestão de Recursos Hídricos Reservatório de Sobradinho Cotas diárias às 24 h. Período Chow, V.T Open-channel hydraulics. McGraw-Hill Book Co., New York, N.Y., pp. Collischonn, B Uso de precipitação estimada por satélite em um modelo hidrológico distribuído. Dissertação (Mestrado). Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Instituto de Pesquisas Hidráulicas. Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Porto Alegre. BR-RS, Franks, S.; Uhlenbrook, S. & Etchevers, P Hydrological Simulation Modelling. In: Oki, T.; Valeo, C. & Heal, K. (eds.). Hydrology 2020: An Integrated Science to Meet World Water Challenges. IAHS Press. p Giacomoni, M. H Estimativa da evapotranspiração regional por meio de técnicas de sensoriamento remoto integradas a modelos de balanço de energia: aplicação no estado do Rio Grande do Sul. Dissertação (Mestrado). Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Instituto de Pesquisas Hidráulicas. Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Porto Alegre. BR-RS, xx, 172 f.: il. Rigozo, N.R.; Nordemann, D.J.R.; Echer, E. and Vieira, L.E.A Search for Solar Periodicities in Tree-Ring Widths from Concórdia (S.C., Brazil). Pure and Applied Geophysics n Silva, B.C. da Previsão hidroclimática de vazão para a bacia do Rio São Francisco. Tese (Doutorado). Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Instituto de Pesquisas Hidráulicas. Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental. Porto Alegre. BR-RS, SRTM - Void-filled seamless SRTM data V1, 2004, International Centre for Tropical Agriculture (CIAT), available from the CGIAR-CSI SRTM 90m Database: Tucci, C.E.M Modelos hidrodinâmicos em rios. In: Tucci, C.E.M.. Modelos hidrológicos. Porto Alegre: Ed. UFRGS/ABRH. Valença, M.J. & Melo, S. de B.M Sistema híbrido para previsão de vazões incrementais e a- fluências ao reservatório de sobradinho. In: Anais do I Simpósio de Recursos Hídricos do Sul-Sudeste. ABRH: Curitiba-PR. CD-ROM. Valeo, C.; Etchevers, P.; Franks, S.; Heal, K.; Hubbard, S.; Karambiri, H.; Oki, T. & Uhlenbrook, S Hydrological Measurement. In: Oki, T.; Valeo, C. & Heal, K. (eds.). Hydrology 2020: An Integrated Science to Meet World Water Challenges. IAHS Press. p ABSTRACT In this paper, it was assessed the performance of a hydrodynamic modeling (through HEC-RAS) supplied by internet data, especially DTM data for setting river widths. Ten flood events were run in the São Francisco, with satisfactory results for flood peak and flood routing time travel which would hypothetically feed a flood warning system.

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