Modelo hidrológico distribuído MGB-IPH ETAPA 2 de preparação das informações de entrada

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL INSTITUTO DE PESQUISAS HIDRÁULICAS Juan Martín Bravo Modelo hidrológico distribuído MGB-IPH ETAPA 2 de preparação das informações de entrada versão 1.0 março/2008

2 O modelo MGB-IPH e sua documentação O MGB-IPH é um modelo hidrológico distribuído desenvolvido na tese de doutorado de Walter Collischonn, no Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, em 2001, sob orientação do prof. Carlos E. M. Tucci. Diversas aplicações do modelo MGB-IPH já foram conduzidas em bacias brasileiras e da América do Sul. Algumas alterações do código do programa foram realizadas posteriormente no que diz respeito principalmente à entrada e saída de informações. Diversos artigos científicos foram publicados descrevendo o modelo MGB- IPH, algoritmos para preparação de informações de entrada e aplicações com resultados. No que diz respeito a esta etapa (MGBauxi), os seguintes artigos podem ser usados como referência: - descrição geral do modelo e das informações de entrada COLLISCHONN, W. (2001). Simulação Hidrológica de Grandes Bacias. Porto Alegre: UFRGS. Tese (Doutorado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental), Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 194 p. COLLISCHONN, W.; TUCCI, C.E.M. (2001). Simulação hidrológica de grandes bacias. Revista Brasileira de Recursos Hídricos. vol. 6, no. 1, pp COLLISCHONN, W., ALLASIA, D., SILVA, B. C., and TUCCI, C. E. M. (2007) The MGB-IPH model for large scale rainfall runoff modeling. Hydrological Sciences Journal, 52(5), , doi: /hysj MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008)

3 MGBauxi Este manual é denominado MGBauxi e se refere à segunda parte de preparação das informações para entrada no modelo MGB-IPH, que são as informações de chuva e clima, tipos de solo, uso da terra e parâmetros do modelo, além da compilação das informações processadas na etapa 1. A documentação completa de aplicação do modelo MGB-IPH consta ainda de outros dois manuais, referentes à etapa anterior (etapa 1) e posterior (etapa 3) a esta (quadro abaixo): Etapas de preparação dos dados e execução do modelo MGB-IPH MGBgis Etapa de preparação de informações derivadas do Modelo Numérico do Terreno (direções de fluxo, rede de drenagem, divisão da bacia, etc). MGBauxi Preparação dos arquivos de entrada para o modelo hidrológico, como dados de chuva e clima, e compilação das informações da etapa MGBgis. MGBexe Configuração do modelo hidrológico e execução (calibração manual ou automática, arquivos de saída gerados, etc). Este manual foi revisado por: Walter Collischonn Daniel Allasia Adriano Rolim da Paz Juan Martín Bravo MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008)

4 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO APLICAÇÃO PREPARAÇÃO DOS BLOCOS OU UNIDADES DE RESPOSTA HIDROLÓGICA GERAÇÃO DO ARQUIVO CELL.HIG CHECAGEM DO ARQUIVO CELL.HIG GERAÇÃO DO ARQUIVO CHUVABIN.HIG PREPARAÇÃO DOS DADOS CLIMATOLÓGICOS GERAÇÃO DO ARQUIVO ALBIAF.HIG GERAÇÃO DO ARQUIVO PARUSO.HIG GERAÇÃO DO ARQUIVO DE DADOS DE VAZÕES OBSERVADAS GERAÇÃO DO ARQUIVO PARHIG.HIG DEFINIÇÃO DOS LIMITES DO ESPAÇO DE BUSCA NA CALIBRAÇÃO AUTOMÁTICA DEFINIÇÃO DO NÚMERO DE PARÂMETROS NO CÓDIGO DO PROGRAMA...33 MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008)

5 1 INTRODUÇÃO As informações de entrada para o Modelo Hidrológico de Grandes Bacias (MGB-IPH) são definidas através de uma série de arquivos, a maioria no formato ASCII, que resumem todas as informações obtidas na etapa MGBgis e nesta. A informação contida nesses arquivos de entrada basicamente inclui: topologia (ligação entre células), hierarquia, percentagem de cada bloco em cada célula e outras características físicas das células; dados pluviométricos em cada célula para o período analisado; dados climatológicos em cada célula para o período analisado; valores dos parâmetros fixos do modelo; valores iniciais ou centrais dos parâmetros calibráveis do modelo; dados de vazões observadas; as configurações gerais do modelo. Este documento descreve passo a passo as etapas para elaboração de cada arquivo de entrada para o modelo MGB-IPH. É requisito que o usuário tenha completado a etapa MGBgis de preparação das informações extraídas ou derivadas do MNT. A seguir são abordadas algumas questões gerais e no capítulo 2 são descritas detalhadamente todos os passos que constituem esta etapa de preparação denominada MGBauxi. Rotinas em Fortran Na geração dos diferentes arquivos de entrada do modelo MGB-IPH são empregadas rotinas específicas desenvolvidas em linguagem Fortran. É importante ressaltar que o formato dos arquivos de entrada e saída das rotinas segue o padrão do programa Idrisi. Operações auxiliares de manipulação de arquivos são realizadas com o emprego de softwares comerciais de geoprocessamento como Idrisi ou ArcGis, por exemplo. Recomenda-se o emprego das rotinas conjuntamente com o sofware Idrisi, por dois motivos: o formato dos arquivos de entrada e saída das rotinas segue o padrão do Idrisi; as operações auxiliares de preparação e manipulação de tais arquivos são facilmente realizadas no Idrisi. Portanto, este manual aborda explicitamente o uso do Idrisi como ferramenta auxiliar. Compilador Fortran e execução das rotinas As rotinas em Fortran foram desenvolvidas usando o compilador Compaq Visual Fortran. Além dos códigos fontes (arquivos com extensão.f90), são disponibilizados os projetos ou worskpaces, que já estão configurados apropriadamente. Para executar cada rotina, deve-se abrir o arquivo de projeto.dsp localizado na pasta correspondente, compilá-lo e executá-lo. Todos os arquivos de entrada devem estar inseridos na pasta referente à rotina, onde também serão gerados todos os arquivos de saída. Para usar um compilador Fortran diferente do mencionado, algumas mudanças quanto à leitura de arquivos binários podem ser necessárias. Pede-se para entrar em contato nesse caso. Leituras de arquivos de entrada com formatos específicos As rotinas em Fortran desenvolvidas utilizam uma série de arquivos de entrada que podem conter informação específica da bacia ou podem definir as características de outros arquivos de entrada. Geralmente, as rotinas lêem esses arquivos de entrada com um formato específico pelo qual uma manipulação errada por parte do usuário pode levar a que a rotina produza um erro de execução em tela ou que o produto gerado apresente erros. Todas as rotinas são disponibilizadas acompanhadas por cada um de seus arquivos de entrada no formato MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 5

6 adequado. O usuário deve ter cuidado na edição desses arquivos de entrada. Nesse manual é ainda apresentado o formato de leitura desses arquivos, utilizando a seguinte representação: TEXTO(**): é lido um texto de ** caracteres (geralmente utilizado na definição de nomes de arquivos de entrada adicionais necessários para a execução da rotina). REAL(**.++): é lido um número real de ** caracteres (incluída a vírgula) contendo ++ caracteres após a vírgula. INTEIRO(**): é lido um número inteiro de ** caracteres. ##(*): é lido * caracteres em branco. Um erro típico que o usuário pode cometer na edição dos artigos de entrada às rotinas é apresentado como exemplo na Figura 1. A primeira linha contendo números de 1 a 14 não seria parte do arquivo de entrada e são apresentadas apenas para melhor entendimento. Suponha agora que a rotina lê cada linha no formato: TEXTO(10), INTEIRO(4). Dessa forma a segunda linha seria corretamente lida (a variável com formato texto teria o valor mnt.rst e a variável com formato inteiro o valor 2600). Entretanto, a rotina não conseguiria ler a terceira linha (leria em forma errada o nome do arquivo, pois a variável com formato texto teria o valor modnumter. e a variável com formato inteiro não poderia ser lida porque existe texto nessa posição). Na tentativa de ler essa terceira linha a rotina apresentaria uma mensagem de erro como apresentado na Figura 2. Figura 1 - Exemplo de informação contida em linhas de um arquivo de entrada (segunda e terceira linha, a quadrícula e a primeira linha são apenas para melhor compreensão). Figura 2 - Exemplo de mensagem de erro na rotina executada por formato incorreto nas variáveis do arquivo de entrada. MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 6

7 2 APLICAÇÃO A metodologia de geração dos arquivos de entrada requeridos pelo modelo MGB-IPH e contemplados neste documento é composta pelas etapas enumeradas na Tabela 1. A ordem de execução foi estabelecida de forma a tornar mais fácil o entendimento de todo o processo e a aplicação das várias rotinas. Algumas etapas não têm como pré-requisitos as etapas anteriores, mas recomenda-se seguir a ordem proposta. Como resultado de cada etapa, um dos arquivos de entrada para o modelo MGB-IPH é definido. Cada uma das etapas é descrita detalhadamente a seguir. Tabela 1 Lista das etapas que constituem a metodologia descrita e o arquivo de entrada para o modelo MGB-IPH gerado. Etapa Operação Arquivo 1 Preparação dos blocos ou unidades de resposta hidrológica Blocos.rst 2 Geração da topologia, hierarquia e percentagem dos blocos CELL.HIG em cada célula 3 Checagem do arquivo Cell.hig 4 Geração dos dados pluviométricos em cada célula para o CHUVABIN.HIG período analisado 5 Preparação dos dados climatológicos vários 6 Definição dos valores dos parâmetros fixos do modelo ALBIAF.HIG 7 Definição dos valores iniciais ou centrais dos parâmetros PARUSO.HIG calibráveis 8 Preparação dos dados de vazões observadas QOBS.PRN ** 9 Definição das configurações gerais do modelo e da PARIG.HIG operação executada 10 Definição dos limites do espaço de busca na calibração LIMITES.TXT automática * 11 Definição do número de parâmetros calibráveis no código do modelo * * Essas etapas são efetuadas apenas quando executado um processo de calibração automática com o modelo MGB-IPH. ** O nome do arquivo pode mudar conforme apresentado adiante no texto. 2.1 PREPARAÇÃO DOS BLOCOS OU UNIDADES DE RESPOSTA HIDROLÓGICA Descrição O modelo MGB-IPH permite considerar uma variabilidade espacial das características físicas internamente às células da malha de discretização. Os tipos de solo e usos da terra são combinados para compor os blocos ou Unidades de Resposta MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 7

8 Modelo hidrológico distribuído MGB-IPH: etapa MGBauxi Hidrológica, seguindo abordagem de Kowen et al. (1993). A combinação desses dois planos de informação visa produzir áreas semelhantes do ponto de vista hidrológico. Por exemplo, áreas com solos de grande capacidade de infiltração e com mata nativa podem compor um bloco, enquanto áreas com cultivo de arroz podem constituir outro bloco. Alguns parâmetros do modelo hidrológico são calibrados especificamente para cada bloco e, portanto, procura-se reduzir a quantidade de blocos visando parcimônia na quantidade de parâmetros. Tipicamente, o modelo MGB-IPH tem sido aplicado com 4 a 9 blocos. Os blocos são definidos após cruzamento entre layers de tipos de solo e usos da terra. Para reduzir o número de resultados desse cruzamento, recomenda-se agrupar algumas classes de cada um desses layers, de acordo com as características semelhantes do ponto de vista hidrológico e os objetivos da modelagem. Após o cruzamento, novo agrupamento deve ser feito para estabelecer finalmente quais blocos serão considerados no modelo. Geralmente, os tipos de solos são definidos a partir de dados do levantamento do projeto RADAMBrasil, mas quaisquer outras fontes disponíveis podem ser utilizadas. As informações levantadas pelo Projeto RADAMBrasil quanto ao tipo de solo são na escala 1: , e a disposição das cartas sobre o território brasileiro é apresentada na Figura 3. As cartas do RADAMBrasil podem ser adquiridas junto ao IBGE no formato de imagens.jpg escaneadas das cartas impressas (Figura 4). Após o georreferenciamento das cartas, procede-se à digitalização dos polígonos referentes a cada ocorrência de tipo de solo e posterior conversão para formato raster, usando softwares comerciais de geoprocessamento. Figura 3 Disposição das cartas do Projeto RADAMBrasil sobre o território brasileiro. MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 8

9 Figura 4 Exemplo de carta do projeto RADAMBrasil (carta SE-22 Goiânia). Para caracterização do uso da terra em bacias de grande escala, uma forma bastante utilizada consiste na classificação de imagens de satélites como Landsat7 ETM+ e CBERS, apoiada por visitas a campo e conhecimento prévio das características da região. Em função da reflectância de cada pixel da imagem, é feita uma distinção entre áreas de mata, água, lavouras, cerrado, etc. Ressalta-se que a classificação deve ser realizada tendo em mente que será utilizada para compor unidades de resposta hidrológica na modelagem, após cruzamento com os tipos de solo. Alternativamente, mapas com identificação dos diversos usos da terra disponíveis de outras fontes podem ser utilizados. Com base na avaliação de quais tipos de solos e usos preponderantes e relevantes existem na bacia modelada, devem ser definidos os blocos a serem efetivamente utilizados para caracterizar a região dentro do modelo hidrológico. Para entrada no MGB-IPH, é necessária uma imagem raster de alta resolução com as áreas ocupadas por cada bloco ( Blocos.rst, com a correspondente documentação Blocos.rdc ), seguindo o formato das imagens descritas na etapa de processamento do MNT e preparação da rede de drenagem: imagem raster com mesmo número de linhas e número de colunas das demais imagens de alta resolução, e abrangendo exatamente a janela de trabalho pré-definida. Se forem definidos 6 blocos, a imagem raster dos blocos deverá conter pixels com valores de 1 a 6 ou, opcionalmente, valores de 0 a 6, sendo o valor 0 utilizado para áreas fora da bacia estudada. Pixels com valor 0 não serão contabilizados, isto é, o bloco com valor nulo é ignorado. Recomenda-se que valores nulos na imagem de blocos sejam utilizados com muita cautela, visto que a diferença entre a alta e a baixa resolução pode fazer com que pixels nulos sejam indevidamente incluídos em uma célula de baixa resolução do modelo. Por exemplo, se a imagem de blocos elaborada estiver mascarada pelo contorno da bacia em alta resolução, haverá certamente células (do modelo hidrológico, de baixa resolução) na borda da bacia que conterão áreas com valor nulo, como exemplificado na Figura 5-a. Para evitar isso, a imagem de blocos deverá ocupar toda a janela de trabalho com valores válidos, ou pelo MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 9

10 menos em uma extensão suficiente além da delimitação da bacia em baixa resolução (Figura 5-b). Uma exigência adicional para entrada no MGB-IPH é que exista um bloco exclusivo para reunir toda a área ocupada por água (rios, lagos, reservatórios), e que tal bloco seja o de maior valor na imagem (no exemplo citado anteriormente, com blocos de 1 a 6, o bloco 6 deveria ser utilizado para se referir à parcela ocupada por água na bacia). Tal exigência diz respeito ao tratamento específico de alguns parâmetros físicos do modelo dado exclusivamente para a água, a qual é identificada automaticamente como o bloco de maior ordem. a Figura 5 (a) Exemplo de caso onde valores nulos (cor branca) na imagem de blocos de alta resolução acabam sendo indevidamente inseridos em células do modelo hidrológico situadas na borda da delimitação da bacia (linha grossa preta); em (b), tal problema não ocorre. b Operação Para esta etapa não existe uma rotina desenvolvida especificamente dentro do conjunto de ferramentas que preparam informações para o modelo MGB-IPH. Trata-se de operação bastante comum em qualquer software comercial de geoprocessamento (Idrisi, ArcGis, etc). Além disso, diferentes fontes de dados podem ser utilizadas, necessitando diferentes operações para alcançar o produto final. Recomenda-se utilizar o software Idrisi, mas caso outro software seja utilizado, basta converter a imagem final para o formato raster do Idrisi, a qual constitui a entrada para uma das rotinas de preparação dos arquivos do MGB-IPH. No caso de usar o Idrisi, as etapas são: - inicialmente, preparar duas imagens raster, uma com tipos de solos e outra com os usos da terra. Conforme a fonte das informações, existirão diferentes formatos dos arquivos, e é necessário convertê-los para o formato raster do Idrisi. Ambas imagens precisam ser de igual resolução (no caso, alta resolução conforme definição na etapa MGBgis), mesmo número de linhas e colunas, e abranger a mesma área, conforme definição da janela de trabalho e características pré-definidas nas etapas anteriores de processamento do MNT (ver manual MGBgis); - de posse dos arquivos raster com solos e usos, pode-se fazer uma operação de redução do número de classes, usando o comando RECLASS (opção do comando GIS Analysis/Dabase Query). No exemplo hipotético da Figura 6, os solos das classes 1 e 2 passam a ser da classe 1, os solos das classes 3 e 4 ficam na classe 3, e os solos das classes 5 a 7 foram agrupados na classe 5 (note que o campo to just less than indica MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 10

11 que o extremo superior do intervalo é aberto, não sendo incluído). O arquivo de saída do comando RECLASS no Idrisi é sempre no formato byte, e recomenda-se de imediato converter para o formato integer, usando o comando CONVERT (opção do menu Reformat); Figura 6 - Agrupamento dos tipos de solos para reduzir o número de classes. - o cruzamento entre os arquivos rasters de solos e usos é realizado com o comando CROSSTAB (opção do menu Gis Analysis/Database Query). Os layers de solos e usos são carregados como first image e second image, e escolhe-se a opção Crossclassification image (Figura 7); Figura 7 Comando CROSSTAB do Idrisi utilizado para o cruzamento entre usos da terra e tipos de solos. - com o comando CROSSTAB, vai ser gerada uma imagem onde cada pixel tem como atributo o número da categoria a qual ele pertence. São criadas n categorias conforme a ocorrência de combinações entre os p tipos de solos e os q usos da terra (a máxima MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 11

12 quantidade será n = pxq). A identificação do tipo de solo e uso da terra que resultou em cada categoria pode ser feita observando o arquivo de documentação da imagem raster gerada. Um caminho é fazer o DISPLAY da imagem gerada, e clicar em Layer Properties no menu da direita, em seguida em View Metadata e finalmente na aba Legend, como indicado pelas setas na Figura 8. Tem-se a lista com a correspondência entre o número da categoria ( code ) e os valores dos atributos nas imagens usadas para o cruzamento ( caption ). No exemplo, a categoria 1 é formada por todos os pixels que tinham valor 0 na primeira imagem (no caso, solos ) e valor 1 na segunda imagem (no caso, usos ). A notação 1 0 remete, portanto, aos valores originais na primeira e segunda imagens, respectivamente, separados pela barra vertical. - o resultado do cruzamento contém número excessivo de categorias, e a redução ou agrupamento de classes pode ser feito usando o comando RECLASS, passando do arquivo blocos_inicial.rst para blocos.rst. A operação é análoga à descrita e exemplificada na Figura 6, tendo em mente que os valores de referência são os números das categorias, e que o bloco de maior valor deve ser reservado para a água. Novamente se ressalta para ao final converter o arquivo resultante da operação de RECLASS de byte para integer, usando o comando CONVERT. Figura 8 Visualização das categorias existentes no layer de cruzamento entre solos e usos. Produto Arquivo raster tipo Idrisi no formato integer/binary (arquivos Blocos.rst e Blocos.rdc), de alta resolução e abrangendo a janela de trabalho, cujos pixels têm valor de 1 a m, onde m é o número de blocos (Figura 9), ou 0 a m, sendo 0 usado para áreas a serem ignoradas. MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 12

13 Figura 9 Exemplo de imagem (de alta resolução) com blocos ou unidades de resposta hidrológica gerada para entrada nas rotinas de preparação do modelo MGB-IPH, superposta pelo contorno da bacia em baixa resolução (linha preta). 2.2 GERAÇÃO DO ARQUIVO CELL.HIG Descrição O arquivo CELL.HIG resume características topológicas da rede de drenagem discretizada no modelo hidrológico, informações sobre a ocupação de cada célula pelos diferentes blocos (ou Unidades de Resposta Hidrológica) e várias outras informações derivadas na etapa MGBgis. Esse arquivo constitui efetivamente um arquivo de entrada para o modelo MGB-IPH, sendo lido pela rotina LECELL no início da execução do modelo. A rotina PREPARA é utilizada para a geração do arquivo CELL.HIG, a partir da compilação de informações geradas em etapas prévias, tanto desta etapa quanto da etapa MGBgis. É feita uma numeração das células do modelo incluídas na bacia discretizada em baixa resolução, e as diversas informações são resumidas por célula no arquivo CELL.HIG, incluindo: posição geográfica do centro e área superficial de cada célula, área de drenagem acumulada, direção de fluxo, comprimento e declividade do trecho de rio associado, sub-bacia a qual pertence a célula, maior e menor valor de elevação do terreno dentro da célula e percentual da célula ocupada por cada bloco, entre outras. Devido à importância do arquivo CELL.HIG, no item seguinte a este consta especificamente um roteiro de como fazer algumas verificações de coerência dos valores escritos em tal arquivo. Assim, o item seguinte pode ser realizado em conjunto com este. Operação A rotina a ser executada é a PREPARA. Os arquivos de entrada são: (1) MNT.rst e MNT.rdc (arquivo raster do MNT modificado com remoção de depressões, no formato do Idrisi integer/binary de alta resolução, no sistema de referência latlong, com unidades em graus). Atenção: deve ser utilizado o MNT modificado com remoção de depressões, obtido durante processamento descrito no MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 13

14 manual MGBgis, denominado MNTfill.rst (e MNTfill.rdc ) e que deve ser renomeado para MNT.rst (e MNT.rdc ). (2) BLOCOS.rst e BLOCOS.rdc (arquivo raster dos blocos de uso de solo no formato do Idrisi integer/binary de alta resolução, no sistema de referência latlong, com unidades em graus) arquivos gerados como produto final do item 2.1 deste manual; (3) FLD1.rst e FLD1.rdc (arquivo raster das direções de fluxo em baixa resolução no formato do Idrisi integer/binary, no sistema de referência latlong, com unidades em graus). Trata-se dos arquivos gerados com o processamento do MNT, como consta no manual MGBgis, com os nomes DirBaixa.rst e DirBaixa.rdc, os quais devem ser renomeados. (4) ACUM.rst e ACUM.rdc (arquivo raster das áreas acumuladas de drenagem em baixa resolução no formato do Idrisi real/binary, no sistema de referência latlong, com unidades em graus). Trata-se dos arquivos gerados com o processamento do MNT, como consta no manual MGBgis, com os nomes AreaBaixa.rst e AreaBaixa.rdc, os quais devem ser renomeados. (5) BACIAS.rst e BACIAS.rdc (arquivo raster da janela de trabalho com delimitação das sub-bacias em baixa resolução no formato do Idrisi integer/binary, no sistema de referência latlong, com unidades em graus). Trata-se dos arquivos gerados com o processamento do MNT, como consta no manual MGBgis, com os nomes SubbaciasBaixa.rst e SubbaciasBaixa.rdc, os quais devem ser renomeados; (6) TRECHOS.rst e TRECHOS.rdc (arquivo raster dos comprimentos de trecho de rio em km, de baixa resolução no formato do Idrisi real/binary, no sistema de referência latlong, com unidades em graus). Trata-se dos arquivos gerados com o processamento do MNT, como consta no manual MGBgis, com os nomes TrechosTot.rst e TrechosTot.rdc, os quais devem ser renomeados; (7) DECLIV.rst e DECLIV.rdc (arquivo raster das declividades de trecho de rio (m/km) em baixa resolução no formato do Idrisi real/binary, no sistema de referência latlong, com unidades em graus). Trata-se dos arquivos gerados com o processamento do MNT na etapa MGBgis. (8) PREHIG.ENT é um arquivo ASCII contendo informação sobre os arquivos raster previamente apresentados. Esse arquivo deve ser editado pelo usuário conforme apresentado adiante no texto. É importante ressaltar que todos esses arquivos de entrada devem estar na mesma pasta onde será executada a rotina. O arquivo PREHIG.ENT tem o formato apresentado na Figura 10. As duas primeiras linhas do arquivo não devem ser editadas. A partir da terceira linha o usuário deve editar o arquivo. Em cada linha a ser editada é definido: - o nome de um arquivo de entrada no formato raster TEXTO(20); - o número de linhas desse arquivo INTEIRO(5); - o número de colunas desse arquivo INTEIRO(5); - as coordenadas geográficas (latlong) dos extremos da janela de trabalho 4REAL(10.2). Todas essas informações podem ser obtidas dos arquivos de documentação.rdc que acompanham aos arquivos raster (.rst). MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 14

15 Figura 10 Exemplo de arquivo de entrada PREHIG.HIG. A ordem na definição dos arquivos raster de entrada dentro do arquivo PREHIG.ENT não deve ser alterada, permanecendo a seqüência apresentada na Figura 10: MNT; blocos de usos do solo; direções de fluxo; área acumulada; e sub-bacias. Quando executada a rotina PREPARA, serão lidos os arquivos PREHIG.ENT e todos os arquivos de entradas nele definidos. Posteriormente a rotina apresentará a tela indicada na Figura 11. Nessa etapa a rotina fica esperando por uma resposta do usuário sobre a forma de entrada das informações de comprimento e declividade de trechos de rios associados às ligações entre células. Duas opções são possíveis: arquivo em formato ASCII denominado Muskingum.prn ou arquivos em formato raster denominados Trechos.rst e Decliv.rst. A primeira opção corresponde a um procedimento manual de obter informações sobre trechos de rio, e está praticamente abandonada na aplicação do MGB-IPH. Portanto, neste manual apenas a segunda opção é abordada. O usuário deve digitar 1 na tela da rotina e clicar enter. Como arquivo de saída da rotina PREPARA será obtido o arquivo CELL.HIG. Figura 11 Tela da rotina PREPARA perguntando sobre a metodologia utilizada na definição dos valores de comprimento e declividade de trechos de rios. O arquivo CELL.HIG contém a seguinte estrutura (Figura 12): MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 15

16 - número da célula (o valor varia de um ao número de células da discretização da bacia) coluna 1; - coordenadas geográficas do centro da célula: longitude e latitude em graus decimais, (colunas 2 e 3); - sub-bacia à qual pertence a célula (coluna 4); - área acumulada de drenagem até a célula, em km 2 (coluna 5); - área superficial da célula, em km 2 (coluna 6); - elevação máxima e mínima do terreno dentro da célula, em metros (colunas 7 e 8); - comprimento do trecho de rio associado à ligação da célula em questão com a célula de jusante, em km (coluna 9); - declividade do trecho de rio associado à ligação da célula em questão com a célula de jusante, em m/m (coluna 10); - número da célula de jusante à célula em questão, ou seja, para qual ela drena (coluna 11); - porcentagem de ocupação de cada bloco na célula (colunas 12 até o final, em quantidade variável conforme o número de blocos). No exemplo da Figura 5, existem 5 blocos. número da célula Longitude e latitude (graus) Área drenagem (km2) Sub-bacia Área superficial (km2) Maior e menor elevação (m) Comprimento trecho de rio (km) Declividade trecho de rio (m/km) Célula de jusante Percentual de ocupação pelos blocos Figura 12 Exemplo de parte de arquivo CELL.HIG com detalhe de sua estrutura. Após a geração do arquivo de saída CELL.HIG, é necessária uma pequena edição do mesmo. Na última linha de tal arquivo, constam as informações referentes à MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 16

17 célula de maior número dentro da discretização do modelo, que é justamente a célula onde está localizado o exutório da bacia. Por ser a célula situada mais a jusante da bacia, no campo referente à especificação da célula de jusante consta o valor 0 (coluna 11), escrito automaticamente pela rotina PREPARA (Figura 13-a). Tal valor deve ser alterado manualmente (usando algum editor de textos), assumindo um valor igual ao valor dessa célula exutório acrescido de 1, como exemplificado na Figura 13-b. a b Figura 13 Edição manual usando editor de textos do arquivo CELL.HIG: alteração do campo número da célula de jusante da célula exutório da bacia: trocar o valor 0 (a) pelo valor dessa célula acrescido de 1 (b) no caso, Produto - Arquivo em formato ASCII denominado CELL.HIG contendo as seguintes informações para cada célula (Figura 12): número; coordenadas geográficas do centro; sub-bacia à qual pertence; área acumulada de drenagem; área superficial; elevação do terreno máxima e mínima dentro da célula; comprimento e declividade do trecho de rio associado; número da célula de jusante; porcentagem de ocupação de cada bloco na célula. 2.3 CHECAGEM DO ARQUIVO CELL.HIG Descrição O arquivo CELL.HIG reúne uma grande quantidade de informações para entrada no modelo MGB-IPH, coletadas a partir de vários arquivos gerados após uma série de processamentos. Logo, tal arquivo constitui uma das principais fontes potenciais de erros na execução do modelo hidrológico em questão. Torna-se fundamental fazer ao menos algumas checagens simples para verificar a validade e coerência das informações que constam no arquivo CELL.HIG. A detecção de erros no arquivo CELL.HIG pode remeter a ajustes e até nova confecção dos arquivos gerados em etapas anteriores, e evita-se iniciar a execução do modelo MGB-IPH propriamente com inconsistências sérias em grande parte das informações de entrada. Nesta etapa são comentadas algumas formas de checar se o arquivo CELL.HIG apresenta erros grosseiros e se está incoerente, com indicação de possíveis causas e como resolver. Infelizmente, essa checagem não garante a total coerência do arquivo CELL.HIG, visto que erros menos grosseiros poderão existir e não serem percebidos. MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 17

18 Operação - Checagem geral da validade das informações: abrir o arquivo CELL.HIG em algum editor de texto e percorrer toda sua extensão, observando se existem campos com valores não numéricos, como *** ou NaN ou infinity. Se existirem valores assim, deve-se verificar o arquivo de entrada correspondente à informação que está sendo escrita na coluna em questão; - Checagem do campo número da célula : ao observar tal campo, os valores devem ser crescentes e indo do valor 1 até um valor m, onde m é a quantidade de células da discretização (crescente de 1 em 1). Não pode haver valor faltante nem duplicado, nem tão pouco estar em ordem diferente. - Checagem do campo sub-bacia : a numeração das células é determinada em função da sub-bacia à qual pertence e da posição da célula dentro da sub-bacia. Primeiro são numeradas todas as células da sub-bacia 1, indo do valor 1 até um valor igual ao número de células dentro da sub-bacia; depois são numeradas as células da sub-bacia 2, continuando a numeração feita na sub-bacia 1, seguindo esse procedimento até a subbacia de maior ordem. Dentro de uma sub-bacia, a numeração segue a rede de drenagem, de mais a montante para jusante. Portanto, no arquivo CELL.HIG, devem constar inicialmente todas as células da sub-bacia 1, depois todas aquelas da sub-bacia 2, etc. - Checagem do campo área de drenagem : se o ordenamento das células na escrita do arquivo obedeceu às regras quanto à numeração das células e das sub-bacias, as áreas de drenagem correspondentes devem seguir algumas regras também se estiverem coerentes. Dentro de cada sub-bacia, as áreas de drenagem devem estar com valores crescentes, com algumas células de valores iguais à área da própria célula (células de cabeceira) e em seguida seguirem em ordem crescente até a última célula pertencente à sub-bacia. No caso de sub-bacias de cabeceira (que não recebem contribuição de outras sub-bacias), a área de drenagem da última célula corresponde à área da própria sub-bacia. Para as demais sub-bacias, a área de drenagem da última célula corresponde à área total contribuinte a essa sub-bacia, acrescida de sua própria área. - Checagem do campo área superficial : a área superficial plana de cada célula é variável em função da posição geográfica, já que se utiliza coordenadas em latitude e longitude. Entretanto, todos os valores desse campo devem variar um pouco ao redor de um mesmo valor, que pode ser estimado fazendo a conversão de graus para km: 0,1º 10 km. Inconsistências nas checagens anteriores possivelmente podem ser causadas por numeração errada no layer Bacias.rst, não obedecendo ao padrão de numeração exigido para modelagem com o MGB-IPH (conforme explicitado no manual MGBgis). Outra fonte possível de erros é se o arquivo raster de direções de fluxo de baixa resolução tiver sido corrigido (usando rotina CORRIGE). Caso tenham sido feitas correções, o arquivo de áreas acumuladas de drenagem Acum.rst utilizado como entrada na rotina PREPARA deverá ter sido gerado a partir do arquivo de direções de fluxo já corrigido. Tipicamente, a ocorrência de células com valor nulo de área superficial é causada por falha nesse procedimento (utilizar layer de direções de fluxo corrigido, mas o de áreas acumuladas ser referente ao layer de direções de fluxo sem correção). - Checagem dos campos comprimento e declividade dos trechos de rio : devese observar se, com as unidades utilizadas, essas variáveis têm valor coerente, MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 18

19 principalmente se tiver sido aplicado algum filtro para limitar valores mínimos e máximos durante etapa de processamento do MNT. Atenção para as unidades dos arquivos de entrada e das informações constantes no arquivo CELL.HIG. Inconsistências nessas informações irão afetar o módulo de propagação do escoamento pela rede de drenagem, e constituem erros bastante comuns na aplicação do MGB-IPH. - Checagem dos campos referentes aos porcentuais de ocupação dos blocos : para cada célula, a soma desses campos deve ser 100%. A não observância desse critério pode ter origem na inclusão de áreas (pixels) que não pertenciam a nenhum bloco problema abordado na Figura 5 e o arquivo Blocos.rst pode necessitar ser refeito. Produto Arquivo CELL.HIG livro de incoerências mais grosseiras. Dependendo do erro constatado, esta etapa poderá ter como produtos a re-elaboração de outros arquivos. 2.4 GERAÇÃO DO ARQUIVO CHUVABIN.HIG Descrição O modelo MGB-IPH utiliza informações de chuva ao longo da simulação lidas a partir de um arquivo binário denominado CHUVABIN.HIG, que contém o valor da precipitação em todas as células da bacia a cada passo de tempo. Normalmente, são utilizados dados observados em pluviômetros como informação da chuva para a modelagem, mas eventualmente outras fontes como precipitação estimada por radar podem ser utilizadas. Neste manual, restringe-se a como preparar o arquivo binário de chuva a partir de dados de pluviômetros. Passo crucial é definir o período para o qual será elaborado o arquivo de chuva interpolada para as células do modelo hidrológico. Tal definição deve levar em conta a disponibilidade dos dados e o período de interesse da aplicação do modelo MGB-IPH. Os valores de precipitação observados nos postos pluviométricos são utilizados para estimar a precipitação em todas as células do modelo, em todos os dias da simulação. O programa INTERPLU foi criado para realizar esta etapa, utilizando como dados de entrada as séries de dados observados nos postos, as coordenadas dos postos e o arquivo de numeração e localização das células do modelo (arquivo CELL.HIG). É utilizado, na versão atual do INTERPLU, o método de interpolação por inverso da distância ao quadrado, cuja descrição teórica pode ser encontrada nos textos de Borrough (1986) e Mendes e Cirilo (2001), por exemplo. O procedimento adotado na rotina INTERPLU consiste de (Collischonn e Tucci, 2001): - em cada passo de tempo (dia), identifica-se para cada célula do modelo o posto pluviométrico com dados observados sem falha situado mais próximo da célula; - determina-se uma circunferência de raio igual a cinco vezes a distância entre o centróide da célula e o posto mais próximo com dados (Figura 14); - calcula-se a chuva sobre a célula a partir da interpolação da chuva observada em todos os postos pluviométricos situados dentro da MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 19

20 circunferência estabelecida no passo anterior. Para interpolação, adota-se o inverso do quadrado da distância. Figura 14 Ilustração do procedimento de seleção dos postos pluviométricos para interpolação da chuva sobre uma célula do modelo hidrológico. A saída do programa INTERPLU é o arquivo binário CHUVABIN.HIG contendo a seqüência de planos de informação com a precipitação em cada dia em cada célula. Cada um destes planos de informação pode ser representado como uma imagem semelhante a da Figura 15. A estrutura do arquivo permite um armazenamento de forma compacta, mantendo informação apenas sobre as células que fazem parte da bacia. Com esta metodologia de preparação de dados, é economizado algum tempo de processamento durante a execução do modelo hidrológico, já que o modelo hidrológico apenas lê os dados de chuva já interpolados para cada célula. A rotina LECHUVA do modelo MGB-IPH lê o arquivo CHUVABIN.HIG. Figura 15 Exemplo de campo de chuva interpolado (em mm) pela rotina INTERPLU a partir de dados de pluviômetros (bacia do Rio Grande, chuva diária em 12jan2002). Operação A rotina a ser executada é a INTERPLU. Os arquivos de entrada são: - INTERPLU.HIG: arquivo ASCII no qual são definidas as seguintes informações (Figura 16): data de início e fim do período em que serão interpolados os dados de precipitação; quantidade de células analisada (NC); quantidade de blocos MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 20

21 (NU); quantidade de intervalos de tempo do período (NT); e a lista com os nomes dos arquivos contendo a informação de precipitação dos postos e suas coordenadas geográficas (longitude e latitude, respectivamente). O arquivo INTERPLU.HIG deve ser manualmente editado pelo usuário do modelo MGB-IPH usando algum editor de textos básico (Notepad, por exemplo). - série de arquivos em formato ASCII contendo os dados de precipitação associados a cada posto pluviométrico; a listagem dos nomes dos arquivos deve constar no arquivo INTERPLU.HIG. No exemplo da Figura 16, tais arquivos têm extensão.plu, mas qualquer extensão é válida, desde que os arquivos sejam em formato ASCII e tenham a estrutura apresentada adiante neste item. É importante ressaltar que todos esses arquivos de entrada devem estar na pasta raiz da rotina. O arquivo INTERPLU.HIG tem a estrutura apresentada na Figura 16. As linhas de cabeçalho de cada variável que constam no arquivo não precisam ser editadas. Na terceira linha o usuário deve definir a data de inicio da informação contida nos arquivos de dados dos pluviômetros (no caso do exemplo, os arquivos.plu). No caso da Figura 16, a data inicial é 01/01/1975, a qual deve ser inserida no arquivo usando o formato 3INTEIRO(10). Na sexta linha o usuário deve definir a data final dos dados de chuva contidos nos arquivos (.plu), mantendo o mesmo formato 3INTEIRO(10) no exemplo da Figura 16 a data final é 31/12/1978. Figura 16 Exemplo de parte do arquivo INTERPLU.HIG. Na oitava linha do arquivo INTERPLU.HIG, o usuário deve definir o número de células da discretização da bacia (NC), o número de blocos de uso do solo (NU), o número de intervalos de tempo do período com dados (NT), e o número de postos pluviométricos utilizados na interpolação (NP). O formato da oitava linha é 4INTEIRO(10). O valor de NC pode ser tomado do arquivo CELL.HIG, observando a primeira coluna da última linha. O valor de NT corresponde ao número de intervalos de tempo (no caso, dias) entre a data inicial e a final informadas, incluindo estas. O valor MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 21

22 NP especifica o número de arquivos contendo dados que serão lidos na listagem do próprio INTERPLU.HIG. No exemplo da Figura 16, existem 815 células, 5 blocos de uso do solo, 1461 intervalos de tempo e 131 postos pluviométricos. Na décima linha o usuário deve definir o intervalo de tempo a partir do qual pretende começar a interpolação no caso da Figura 16 corresponde ao primeiro intervalo do período com dados formato INTEIRO(10). Por fim, a partir da linha doze até o final do arquivo devem ser identificados os nomes dos arquivos com os dados de precipitação, e sua coordenadas geográficas em latlong. O formato utilizado em cada linha é: ##(5), TEXTO(15), 2REAL(20.4). A estrutura dos arquivos individuais contendo os dados de chuva em cada posto pluviométrico é ilustrada pelo exemplo da Figura 17. Esse arquivo deve apresentar em cada linha (nesta seqüência): dia, mês, ano e valor da precipitação em mm, se estendendo da data inicial até a data final informadas no arquivo INTERPLU.HIG. Dados com falhas devem ser representados pelo valor -1.0, o qual é automaticamente identificado pela rotina INTERPLU durante o procedimento de interpolação. Os arquivos de chuva em cada posto não precisam de formato específico com respeito ao número de caracteres ocupado por cada informação, mas deve ser respeitado o formato de números inteiros para dia, mês e ano, e número real para o valor da precipitação. Figura 17 Estrutura de arquivo contendo dados de chuva em um posto pluviométrico, para entrada na rotina INTERPLU. Produto - Arquivo binário CHUVABIN.HIG contendo a seqüência de planos de informação com a precipitação em cada dia em cada célula da discretização da bacia no modelo MGB-IPH. MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 22

23 - como produto parcial, tem-se os arquivos contendo dados dos pluviômetros no formato dia, mês, ano, chuva e o arquivo INTERPLU.HIG, auxiliar para a execução da rotina INTERPLU. 2.5 PREPARAÇÃO DOS DADOS CLIMATOLÓGICOS Descrição Para o cálculo da evapotranspiração no modelo MGB-IPH, são necessários dados climáticos em postos situados na região da bacia ao longo do período de simulação: temperatura do ar, umidade relativa do ar, velocidade do vento, pressão atmosférica, e insolação ou radiação solar. Internamente, o modelo MGB-IPH associa os valores das variáveis climatológicas dos postos às células da discretização. A regra de associação para cada célula é a identificação do posto mais próximo à célula. Caso o posto esteja com falhas nesse intervalo de tempo, são tomados valores médios mensais que constam em outro arquivo específico. No modelo MGB-IPH propriamente dito, existem três rotinas para lidar com os valores diários das variáveis climatológicas em cada célula e para cada dia do período analisado. A rotina ARQCLISUB lê os arquivos com os valores diários das variáveis climatológicas em todos os postos, enquanto a rotina LECLIMED lê os arquivos com os valores médios mensais das variáveis climatológicas de todos os postos. Por fim, a rotina LECLIMA prepara os dados climatológicos em cada célula e para cada dia do período analisado (esta rotina identifica qual o posto mais próximo e preenche as falhas se existirem com os valores médios mensais). Neste passo o objetivo é preparar os dados climatológicos nos arquivos de entrada a serem lidos durante a execução do modelo MGB-IPH tanto os arquivos com dados diários quanto os arquivos de médias mensais. Operação O usuário deve definir os arquivos de entrada (ASCII) com valores diários das variáveis climatológicas para cada posto existente e um arquivo de entrada que reúne os valores médios mensais das variáveis climatológicas dos mesmos postos. No caso de existir falha nos valores diários deve ser colocado o valor -1.00, o qual serve como identificador padrão da falha no código do modelo. Os valores médios mensais são utilizados pelo modelo MGB-IPH para preencher essas falhas. Nos dados médios mensais, não pode haver falhas. Todos os arquivos de entrada contendo informações climatológicas apresentam a extensão.cli. Um exemplo de nome de arquivo contendo os valores diários das variáveis climatológicas em um posto é Posto1_dia.Cli, onde Posto1 é o nome do posto abreviado. O arquivo contendo os dados médios mensais de todos os postos é geralmente denominado de Medias.cli. Os nomes dos arquivos são informados em outro arquivo de entrada, conforme comentários adiante neste manual. Nesta etapa são apresentados os formatos e características que os arquivos com dados climáticos devem ter para serem utilizados posteriormente pelo modelo MGB-IPH. MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 23

24 Um exemplo de arquivo Posto1_dia.cli é apresentado na Figura 18. Esse arquivo deve apresentar em cada linha os valores das cinco variáveis climatológicas de cada dia (após uma linha de cabeçalho): - temperatura (em ºC); - umidade relativa do ar (%); - velocidade do vento (m/s). Essa variável, na opção padrão de entrada do MGB- IPH, é referente à altura de 2 m acima da superfície do mar. Internamente, o modelo converte esse valor para torná-lo referente à altura de 10 m. Para maiores informações sobre isso, consultar a documentação teórica do módulo de evapotranspiração do modelo; - insolação (horas/dia); - pressão atmosférica (kpa). Nos arquivos de dados diários em cada posto, a ordem das variáveis é aquela do exemplo da Figura 18. Em tais arquivos, a quantidade de linhas deve ser a quantidade de dias do período de simulação. Os arquivos tipo Posto1_dia.cli devem possuir o formato 5REAL(10.2). Em alguns casos, é comum que para alguns postos todo o período de interesse para simulação seja de falhas, isto é, não existam dados diários disponíveis. Mesmo assim, é necessário construir o arquivo de dados diários correspondente, sendo que todos os valores devem ser -1.0, como no caso do exemplo da Figura 18. Durante a simulação, a cada dia o modelo identifica que há falha nos dados desse posto, e vai buscar os valores médios mensais no arquivo de médias. Figura 18 Arquivo Campos_dia.cli contendo os dados diários das variáveis climatológicas no posto Campos. Na Figura 19 é apresentado um exemplo de arquivo Medias.cli contendo os valores médios mensais das variáveis climatológicas em cada posto. Esse arquivo é composto por duas partes. Na primeira parte constam as coordenadas geográficas (em latlong, graus decimais) dos postos no formato 2REAL(10.3). No exemplo da Figura 19, são apenas três postos climáticos utilizados e, portanto, a primeira parte do arquivo ocupa apenas três linhas. Na segunda parte, constam os valores médios mensais das MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 24

25 variáveis climatológicas de cada posto, no formato TEXTO(20), 12REAL(10.1), seguindo a estrutura da Figura 19. Existem linhas que constituem cabeçalhos e não devem ser editadas (linhas 4, 5, 9, 10, 14, 15, 19, 20, 24 e 25) do exemplo em questão. A ordem dos dados no arquivo de médias mensais é: (1) temperatura (ºC); (2) umidade relativa (%); (3) insolação (horas/dia); (4) velocidade do vento (m/s) e (5) pressão atmosférica (kpa). Enquanto que os arquivos dos valores diários apresentam o valor das cinco variáveis climatológicas por linha, para cada dia, o arquivo dos valores médios mensais apresenta o valor de uma variável climatológica por linha, para cada um dos doze meses do ano e para cada posto (Figura 19). Figura 19 Exemplo de arquivo Medias.cli contendo os dados médios mensais das variáveis climatológicas. Produto - Arquivos ASCII contendo os dados diários das variáveis climatológicas no período analisado (um para cada posto). - Arquivo ASCII que reúne as coordenadas latlong e os dados médios mensais das variáveis climatológicas de cada posto. 2.6 GERAÇÃO DO ARQUIVO ALBIAF.HIG Descrição Neste item, descreve-se como preparar o arquivo de entrada ALBIAF.HIG que contém valores de parâmetros fixos do modelo MGB-IPH. Os parâmetros que constam em tal arquivo são: albedo; índice de área foliar; altura da cobertura vegetal; resistência superficial da vegetação. Os valores desses parâmetros, para cada bloco de uso do solo (unidade de resposta hidrológica), podem ser estimados por medições de campo ou com MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 25

26 base na literatura especializada. Informações mais detalhadas sobre cada um desses parâmetros são encontradas na documentação teórica do modelo MGB-IPH. O arquivo ALBIAF.HIG é um arquivo ASCII contendo valores médios mensais dos parâmetros já especificados. Operação Nesta etapa não é utilizada nenhuma rotina em particular, sendo o arquivo ALBIAF.HIG editado em qualquer editor de textos básico. A estrutura do referido arquivo deve ser tal qual exemplificado na Figura 20. Para cada variável, consta uma linha com valores médios mensais para cada bloco ou unidade de resposta hidrológica, no formato TEXTO(10), 12REAL(5.2). No exemplo mostrado, existem cinco blocos do uso do solo (denominados de agricultura, floresta, pastagem, urbano e água) para os quais foram definidos valores dos parâmetros do modelo MGB-IPH na seguinte ordem: - albedo (valor entre 0 e 1); - índice de área foliar (adimensional); - altura da cobertura vegetal (em metros); - resistência superficial (em %). As linhas que servem de cabeçalhos no arquivo ALBIAF.HIG não devem ser editadas (linhas 1, 2, 8, 9, 15, 16, 22, 23). Figura 20 - Arquivo ALBIAF.HIG contendo os valores médios mensais dos parâmetros fixos do modelo MGB-IPH. Produto - Arquivo ASCII denominado ALBIAF.HIG contendo os valores médios mensais dos parâmetros fixos albedo, índice de área foliar, altura da cobertura vegetal, resistência superficial do modelo MGB-IPH para cada bloco do uso do solo. MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 26

27 2.7 GERAÇÃO DO ARQUIVO PARUSO.HIG Descrição Neste item descreve-se como elaborar o arquivo de entrada para o modelo MGB- IPH denominado PARUSO.HIG. Trata-se de um arquivo ASCII com valores dos parâmetros calibráveis, isto é, que podem ser alterados durante a calibração do modelo. Esses parâmetros são considerados constantes ao longo de toda a simulação e podem estar associados aos blocos (Wm, KINT, KBAS, b) ou às células (CB, CI e CS). Os valores desses parâmetros podem ser definidos por sub-bacias ou considerados constantes ao longo de toda a bacia. Os valores dos referidos parâmetros podem ser inicialmente adotados com base na documentação teórica do modelo MGB-IPH. Operação Nesta etapa não é utilizada nenhuma rotina, devendo ser utilizado qualquer editor de textos básico para a elaboração do arquivo PARUSO.HIG. Um exemplo de arquivo PARUSO.HIG é apresentado na Figura 21. Esse arquivo apresenta uma estrutura de definição dos valores dos parâmetros que deve ser repetida para cada subbacia. A definição dos valores dos parâmetros é efetuada começando na sub-bacia 1 e se estende até a última sub-bacia, sempre repetindo a mesma estrutura. No exemplo da Figura 21 constam cinco blocos de uso do solo (identificados como uso 1 a uso 5 ) para os quais são definidos os valores dos parâmetros Wm, b, Kbas, Kint, XL, CAP e Wc. Ainda para cada sub-bacia devem ser definidos os valores dos parâmetros CS, CI, CB e QB. Dentro da estrutura reservada a cada sub-bacia, as duas primeiras linhas correspondem a cabeçalhos e não devem ser editadas pelo usuário. O número de linhas com informação dentro da estrutura e que deverá ser editadas pelo usuário dependerá do número de blocos (número de linhas com informação será igual ao número de blocos + quatro, na Figura 21 corresponde a nove linhas com informação linhas 3 a 11 dentro da estrutura em destaque). O formato das linhas 3 a 7 (onde são definidos os parâmetros associados aos blocos) do arquivo na Figura 21 é TEXTO(10), 7REAL(8.2). O formato das linhas 8 a 10 (parâmetros CS, CI e CB) é REAL(8.1) e o formato da linha 11 (QB) é REAL(8.6). MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 27

28 Figura 21 Exemplo de arquivo PARUSO.HIG contendo os valores dos parâmetros calibráveis do modelo MGB-IPH. Produto - Arquivo ASCII PARUSO.HIG contendo os valores dos parâmetros calibráveis do modelo MGB-IPH para cada bloco do uso do solo e para cada sub-bacia. 2.8 GERAÇÃO DO ARQUIVO DE DADOS DE VAZÕES OBSERVADAS Descrição Quando executado um processo de calibração automática deve ser informado ao modelo MGB-IPH os valores de vazão observada em um ou mais postos fluviométricos localizados dentro da bacia, para o período de calibração. Isto é feito através de um arquivo de entrada no formato ASCII geralmente denominado QOBS.PRN. Os valores definidos nesse arquivo são utilizados para ajustar os parâmetros calibráveis com o objetivo de maximizar (ou minimizar) alguma medida de desempenho baseada no erro entre os valores observados e simulados pelo modelo. Mais informações podem ser obtidas na documentação teórica do modelo MGB-IPH. Operação O usuário deve definir o arquivo de entrada QOBS.PRN com os valores das vazões observadas em diferentes postos fluviométricos dentro da bacia. Um exemplo de arquivo QOBS.PRN é apresentado na Figura 22. Esse arquivo apresenta uma primeira linha de cabeçalho onde constam os nomes dos postos fluviométricos. O usuário deve editar os nomes apenas para maior controle e organização dos dados, mas as informações contidas nessa linha são ignoradas pelo modelo ao ler o arquivo QOBS.PRN. A partir da segunda linha são definidos os dados de vazão observada em cada posto, onde a primeira coluna apresenta a data e depois MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 28

29 existem tantas colunas de dados quantos forem os postos fluviométricos. Assim, em cada linha são definidas as vazões observadas em todos os postos fluviométricos correspondente a uma determinada data do período analisado. Esses arquivos podem ser gerados em planilhas Excel e posteriormente salvos como arquivos.prn ou.txt. O formato de cada linha após a primeira linha de cabeçalho é TEXTO(20) para a data e REAL(10.2) para os dados de vazão. No caso de se apresentarem falhas, estas devem ser preenchidas com o valor A ordem dos postos que devem constar no arquivo QOBS.PRN é definida em outro arquivo, denominado PARHIG.HIG e descrito adiante neste manual. Mas uma boa regra é seguir a ordem crescente da numeração das sub-bacias, ou seja, primeiro o posto fluviométrico referente à sub-bacia 1, depois referente à sub-bacia 2, etc. Figura 22 - Arquivo QOBS.PRN contendo informação de vazões observadas em seis postos fluviométricos no período 01/01/1975 a 31/12/1978 (parte do mesmo) Produto - Arquivo ASCII QOBS.PRN contendo os valores de vazões observadas em diferentes postos fluviométricos dentro da bacia analisada. 2.9 GERAÇÃO DO ARQUIVO PARHIG.HIG Descrição O arquivo PARIG.HIG é um dos arquivos de entrada mais importantes do modelo MGB-IPH. Nesse arquivo ASCII são definidas as configurações gerais do modelo e da operação a ser executada. Entre as informações definidas neste arquivo podem ser destacadas: a data de inicio da simulação; o número de intervalos de tempo do período de simulação e o tamanho do intervalo de tempo de cálculo; o número de MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 29

30 células, blocos de uso do solo, etc.; a definição do tipo de execução, se é simulação, calibração automática ou previsão; nome de arquivo com dados climatológicos e de arquivo com vazões observadas; número das células que correspondem aos postos fluviométricos com dados. Operação O usuário deve definir o arquivo de entrada PARHIG.HIG com os valores adotados nas configurações do modelo e da operação sendo executada. Um exemplo de arquivo PARIG.HIG é apresentado na Figura 23. As primeiras cinco linhas do arquivo apresentam uma série de cabeçalhos. Na sexta linha é definida a data de início da simulação no formato 4INTEIRO(10). Na linha nove são definidos o número de intervalos de tempo da simulação (1461, no exemplo) e o tamanho do intervalo de tempo em segundos (1 dia, no exemplo) no formato INTEIRO(10), REAL(10.1). Posteriormente devem ser definidos, na linha doze, o número de células da bacia; o número de blocos de uso do solo; o número de sub-bacias e o número de postos com dados climatológicos diários, seguindo o formato 4INTEIRO(10). Por fim na linha quinze deve ser escolhido o processo sendo executado que no modelo MGB-IPH é identificado pelo valor da variável ICALIB. No caso de efetuar um processo de simulação o valor é zero, no caso de efetuar um processo de calibração automática o valor é um, e no caso de efetuar um processo de previsão o valor é dois, com o formato INTEIRO(10). Figura 23 Exemplo de parte de arquivo PARHIG.HIG. Os nomes dos arquivos que contêm os dados climatológicos diários e mensais são também definidos no arquivo PARHIG.HIG. Isto é feito nas linhas 18 a 20 (valores diários) e na linha 22 (valores mensais) no exemplo da Figura 23. Os nomes dos arquivos de valores climatológicos diários têm formato TEXTO(13) e o nome do MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 30

31 arquivo de valores médios mensais tem o formato TEXTO(10). É importante ressaltar que o nome dos arquivos deve incluir a extensão. Ainda, devem existir tantas linhas listando os nomes de arquivos com valores climatológicos diários quanto for o número de postos com dados climatológicos diários previamente definidos na linha doze. O número de postos com vazão observada e o nome do arquivo em que estão esses dados (definido no item 2.6) é ainda definido no arquivo PARHIG.HIG. A linha do arquivo PARHIG.HIG em que isto é feito dependerá do número de postos climatológicos com valores diários, no exemplo da Figura 23 corresponde à linha 25. Nessa linha deve ser introduzido um número INTEIRO e o nome do arquivo no formato TEXTO(20). Posteriormente devem ser definidos os números das células (com base na hierarquia definida no arquivo CELL.HIG) que correspondem aos postos fluviométricos com dados. Essa linha não precisa de um formato específico, apenas serem introduzidos valores inteiros separados por um espaço, tantos valores quantos forem os postos com vazão observada previamente definidos. Por fim o usuário deve definir o número de pontos em que se deseja salvar resultados de hidrogramas simulados pelo modelo MGB-IPH (no formato INTEIRO). A seguir devem ser identificados os números das células que correspondem a cada um desses pontos, cada número em uma linha, conforme apresentado na Figura 23. Observa-se nessa figura que existem 15 pontos onde se deseja gravar hidrogramas e, abaixo no arquivo, 15 linhas definindo os números de cada uma dessas células. Produto - Arquivo ASCII PARIG.HIG contendo as configurações gerais de configuração do modelo MGB-IPH e da operação sendo executada DEFINIÇÃO DOS LIMITES DO ESPAÇO DE BUSCA NA CALIBRAÇÃO AUTOMÁTICA Descrição Quando executado um processo de calibração automática o modelo MGB-IPH precisa de um arquivo de entrada adicional, chamado de LIMITES.TXT. Neste arquivo são definidos os limites relativos do espaço de busca dos parâmetros calibráveis do modelo MGB-IPH. Trata-se de limites relativos porque dependem do valor dos parâmetros adotados no arquivo PARUSO.HIG. O algoritmo de otimização utilizado na calibração automática é um algoritmo evolucionário multi-objetivo chamado MOCOM-UA (Yapo et al., 1998) que a traves de sucessivas iterações e simulações do modelo MGB-IPH converge a um conjunto de soluções que podem ser consideradas ótimas. Como todo algoritmo evolucionário utilizado em processos de otimização, o MOCOM-UA parte de soluções candidatas escolhidas aleatoriamente dentro de um espaço de busca definido pelo usuário. Dessa forma, o usuário deve definir os limites inferior e superior dos valores que os parâmetros podem adotar estabelecendo um espaço de busca para as soluções otimizadas. É de grande importância definir corretamente os valores desse limites para que as soluções encontradas sejam viáveis (que não sejam obtidos valores incoerentes MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 31

32 nos parâmetros) e para que as soluções sejam encontradas eficaz e eficientemente. A eficácia está associada a encontrar o verdadeiro conjunto de parâmetros otimizados e a eficiência em encontrar esse conjunto em um número razoável de iterações. Para facilitar a compreensão destes conceitos é apresentado o seguinte exemplo, no qual apenas os limites superior e inferior do espaço de busca do parâmetro b são apresentados. Suponha que os valores dos limites relativos adotados para esse parâmetro sejam 0,1 e 5,0 e que os valor do parâmetro b no arquivo PARUSO.HIG em uma das sub-bacias seja 0,15. Assim, os limites verdadeiros do espaço de busca do parâmetros b serão: limite inferior (verdadeiro) = 0,1 * 0,15 = 0,015 ; limite superior (verdadeiro) = 5 * 0,15 = 0,75 Observa-se que embora os limites relativos sejam os mesmos para o parâmetro b, os limites verdadeiros podem ser diferentes em cada sub-bacia se o valor de b definido no arquivo PARUSO.HIG for diferente. Por isto é de grande importância a correta definição dos valores dos parâmetros calibráveis adotados no arquivo PARUSO.HIG. Assim, recomenda-se que previamente a qualquer processo de calibração automática seja executado um processo de calibração manual para obter valores razoáveis dos parâmetros adotados no arquivo PARUSO.HIG. No processo de calibração manual, o usuário muda os valores desses parâmetros e analisa visualmente ou através de alguma medida de desempenho o ajuste obtido, por exemplo, em termos de vazões calculadas e observadas em diferentes pontos da bacia. Apenas quando tenha sido alcançado um ajuste razoável dos parâmetros do modelo MGB-IPH é que se aconselha executar o processo de calibração automática para tentar melhorar os resultados obtidos manualmente. Nesta etapa não é utilizada rotina alguma. Operação O usuário deve definir o arquivo de entrada LIMITES.TXT com os valores adotados dos limites relativos superior e inferior de cada um dos parâmetros calibráveis do modelo MGB-IPH. Um exemplo de arquivo LIMITES.TXT é apresentado na Figura 24. A primeira linha corresponde a cabeçalhos e não precisam ser editadas pelo usuário. A ordem dos parâmetros em que devem ser definidos os limites é ainda apresentada nessa figura, sendo: (1) b; (2) KINT; (3) KBAS; (4) CS; (5) CI; (6-final) Wm de cada bloco do uso do solo. Cada uma dessas linhas possui o formato TEXTO(10), seguido por dois números reais. MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 32

33 Figura 24 - Arquivo LIMITES.TXT contendo os valores dos limites relativos dos parâmetros calibráveis do modelo MGB-IPH. Produto - Arquivo ASCII LIMITES.TXT contendo os limites relativos do espaço de busca dos parâmetros calibráveis DEFINIÇÃO DO NÚMERO DE PARÂMETROS NO CÓDIGO DO PROGRAMA Descrição Dentre os parâmetros calibráveis do modelo MGB-IPH existem cinco (b, Kbas, Kint, CS e CI) que se apresentam em qualquer aplicação do modelo. Entretanto, o número de parâmetros calibráveis Wm s dependerá do número de blocos da aplicação do usuário. Assim, o número total de parâmetros calibráveis pode ser diferente para diferentes aplicações do modelo MGB-IPH. O número de parâmetros calibráveis é definido no modelo MGB-IPH a traves da variável NPAR declarada no módulo VARS_CALIB. Assim, o usuário do modelo MGB-IPH deverá verificar se o valor de NPAR existente no modelo MGB-IPH é o correto para sua aplicação. O número de parâmetros calibráveis do modelo MGB-IPH pode ser definido pela fórmula apresentada a seguir: NPAR = 5 + Número de Blocos Blocos água (ou outro bloco com Wm igual a zero no arquivo PARUSO.HIG) Uma vez definido o valor de NPAR para uma aplicação particular, o usuário deve introduzir esse valor no módulo VARS_CALIB como apresentado na Figura 25. Posteriormente o modelo MGB-IPH deve ser compilado para que as modificações efetuadas tenham validade. Por fim, o modelo está pronto para ser utilizado em um processo de calibração automática. MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 33

34 Figura 25 - Edição do módulo VARS_CALIB do modelo MGB-IPH. É destacada na cor preta a declaração da variável NPAR, o usuário deve alterar o valor existente (8) pelo definido para sua aplicação. Operação Modificar o módulo VARS_CALIB de declaração de variáveis da calibração automática do modelo MGB-IPH. Produto - Módulo do modelo MGB-IPH com definição de variáveis adequada ao estudo de caso do usuário. MGBauxi manual do usuário, v.1 (mar/2008) 34