Banca Examinadora: Nilza Maria dos Reis Castro Pedro Luiz Borges Chaffe Fábio Farias Pereira

Transcrição

1 MODELAGEM HIDROLÓGICA E AVALIAÇÃO DE DIFERENTES MÉTODOS DE CALIBRAÇÃO PARA O MODELO SWAT Aluna: Tássia Mattos Brighenti Orientadora: Nadia Bernardi Bonumá, Drª. Banca Examinadora: Nilza Maria dos Reis Castro Pedro Luiz Borges Chaffe Fábio Farias Pereira

2 INTRODUÇÃO Modelos hidrológicos são um conjunto de equações físicas e matemáticas que descrevem os processos hídricos, auxiliando no entendimento do comportamento da água dentro de uma bacia hidrográfica. Propósitos e Aplicações: Sintetizar eventos hidrológicos passados; Preenchimento de falhas em dados medidos; Melhorar o entendimento sobre os processos hidrológicos; Prever eventos futuros ; Avaliar os efeitos na bacia hidrográfica em função de mudanças no uso do solo e no clima

3 INTRODUÇÃO Modelos hidrológicos distribuídos, são modelos que conseguem representar a variabilidade espacial e o caminho da água dentro de uma bacia. Vantagens: Incorporação das características topográficas da bacia, das variabilidades dos usos e tipos de solo e, dados espacializados de chuva e umidade do solo. Para a garantia do funcionamento adequado de um modelo hidrológicos, dois passos básicos devem ser considerados: calibração e validação. Calibração: Encontrar a melhor faixa de valores para os parâmetros do modelos, baseada na comparação com dados medidos. Validação: Rodar o modelo com os valores dos parâmetros determinados na calibração.

4 JUSTIFICATIVA Por que o modelo hidrológico Soil and Water Assessment Tool? Por que a bacia hidrográfica do Rio Negrinho? Por que a escolha da metodologia? Por fim... por que este estudo?

5 OBJETIVOS OBJETIVO GERAL Simular os processos hidrológicos e avaliar diferentes cenários de calibração do modelo SWAT na bacia hidrográfica do Rio Negrinho, localizada em Santa Catarina. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Calibrar e validar o modelo SWAT com base na série histórica de vazões disponível da bacia hidrográfica do Rio Negrinho; Avaliar e comparar o desempenho do modelo em simular os anos secos e úmidos; Validar o modelo em outra sub-bacia para verificar o potencial do modelo em estimar impactos de mudanças de uso do solo.

6 MATERIAIS E MÉTODOS A metodologia utilizada pretende aplicar uma proposta de diferentes cenários de calibração e validação para o modelo SWAT.

7 METODOLOGIA A área selecionada foi à bacia hidrográfica do Rio Negrinho - BHRN ÁREA DE ESTUDO Localizada nos municípios de Rio Negrinho e São Bento do Sul Área de 198,5 km² O clima da região é temperado (constantemente úmido, com verões frescos) A precipitação anual média de 1720 mm

8 METODOLOGIA DADOS DE ENTRADA Estação Tipo Período* MONITORAMENTO EPAGRI Met./ Pluv Corredeiras Pluv Campo Alegre Pluv Rio Novo Pluv Rio Negrinho Montante Nível Exutório Nível 2010 *Utilizado nas simulações; 4 anos de warmup

9 METODOLOGIA Tempo: MONITORAMENTO EXUTÓRIO DA BACIA 10 em 10 min. Período total de dados: 2009 a 2014 Fonte: Malutta (2012)

10 METODOLOGIA O Modelo Numérico do Terreno (DEM): Resolução de células de 30m DADOS DE ENTRADA MATERIAL CARTOGRÁFICO Pinus: 14% Área Urbana: 5% Áreas Agrícolas : 9% Floresta : 60% Pastagens: 9% Dez tipos de solos diferentes: Oito da classe Cambissolos Um da classe Gleissolos

11 METODOLOGIA INTERPOLAÇÃO DOS DADOS DE CHUVA Ferramenta PCP SWAT: Facilita a estimativa da precipitação espacial; Método: Krigagem Simples com Diferentes Médias Locais com Elevação como Variável Externa.

12 METODOLOGIA Rio Negrinho Montante: Q 5,0001 h0,01 CURVA-CHAVE 1,2293 Exutório: Q 7,8306 h0,66 1,0029 Cota (h) : 0,2m a 4,25m Vazão (Q): 0,82 m³/s a 29,92 m³/s Cotas (h): 0,78m a 4,98m Vazão (Q): 0,87 m³/s a 49,10 m³/s Desvio médio: 6,7% Desvio médio: 15,2%

13 METODOLOGIA SEPARAÇÃO DOS ESCOAMENTOS A vazão medida foi separada em duas partes: escoamento superficial e escoamento de base Método utilizado: Filtro Automático Base Flow qt q t1 Onde qt é o valor filtrado da vazão no tempo t; é a vazão total no tempo t; e β uma constante do filtro de 0,925 O escoamento de base (bt) é dado por: β bt 2 Q t 1 β Q Q Q t É possível também obter pelo filtro a constante de recessão (ALPHA_BF), que é o ponto de declínio da vazão depois de um evento de recarga. q t t t1

14 Processo Parâmetro Descrição Unidade CN2 Curva Número inicial para condição de umidade do solo II - Escoamento SURLAG Coeficiente do retardamento do escoamento superficial direto - superficial e CH_K2 Condutividade efetiva no canal principal mm/h tempo de CH_K1 Condutividade efetiva nos canais tributários mm/h concentração CH_N2 Coeficiente de Manning para o canal principal - CH_N1 Coeficiente de Manning para os canais tributários - Umidade do solo SOL_AWC Armazenamento de água no solo mmh2o/mmsolo ESCO Evapotranspiração Coeficiente de compensação de evaporação de água no solo - Águas subterrâneas Fluxo Lateral ANÁLISE DE SENSIBILIDADE, CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DE MODELOS HIDROLÓGICOS CANMAX Quantidade de água interceptada mm GW_DELAY Intervalo de tempo para recarga do aquífero dias GW_QMN Limite de água no aquífero livre para ocorrer o fluxo de retorno mm GW_REVAP Coeficiente de ascensão de água à zona de saturação - RCHRG_DP Coeficiente de percolação da água para o aquífero profundo mm SLSOIL Comprimento da declividade para o escoamento subsuperficial m LATTIME Escoamento lateral dias *O restante dos parâmetros permaneceu com o valor default do modelo

15 Vazão (m³/s) METODOLOGIA ANÁLISE DE SENSIBILIDADE, CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DE MODELOS HIDROLÓGICOS A maior parte dos cenários de calibração e validação é discutida por Klemes (1986) Split-Sample Test A série de dados é dividida em dois segmentos, um para calibração e outro para validação Tempo

16 METODOLOGIA ANÁLISE DE SENSIBILIDADE, CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DE MODELOS HIDROLÓGICOS...considerando problemas gerais na validação e calibração de modelos hidrológicos e propondo uma estrutura hierárquica de testes Differential Split-Sample Test Proxy-Catchment Test O teste consiste na calibração de anos úmidos e validação em anos secos, e vice-versa; Requisito: períodos úmidos e secos; Avaliar a eficiência do modelo para cenários sobre mudanças no clima. O modelo deve ser calibrado em uma bacia e validado em outra; Requisito: bacias de uso do solo semelhante; Aumenta a confiabilidade do modelo em prever impactos nas mudanças de uso do solo.

17 Coeficiente de Escoamento METODOLOGIA ANÁLISE DE SENSIBILIDADE, CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DE MODELOS HIDROLÓGICOS... o objetivo é dar segurança de que os modelos não vão ser aplicados em estudos além de suas capacidades. O primeiro passo na divisão dos anos foi o cálculo da média anual das chuvas e vazões para todo o período de dados; A escolha final dos anos foi baseada no desvio que os valores têm em relação à média anual; Secos: 2003, 2004, 2005, 2006, 2007 Úmidos: 2008, 2009, 2010, 2011, Úmido Seco Tempo (anos)

18 METODOLOGIA O modelo foi desenvolvido pelo Serviço de Pesquisa Agrícola dos Estados Unidos e pela Texas A&M University; O modelo simula de forma contínua os processos hidrológicos; Principais componentes: hidrologia, clima, erosão, nutrientes, manejo do solo e escoamento em canais. SWAT Soil and Water Assessment Tool

19 METODOLOGIA SWAT Soil and Water Assessment Tool Discretização espacial: Bacia hidrográfica Sub-bacias HRU s HRU s: Partes da sub-bacia que tem mesma combinação de relevo, tipo e uso do solo, aumentando a acurácia da simulação. O ciclo hidrológico simulado pelo é baseado na equação do balanço hídrico: SW t SW 0 t R Q E W Q day a seep i1 sup gw onde, SW t é a quantidade final de água no solo (mm), SW o é a quantidade inicial de água no solo no dia t(mm), t é o tempo (dias), R day é a precipitação total no dia t (mm), Q sup o escoamento superficial no dia t (mm), E a é a evapotranspiração total no dia t (mm), W seep é a percolação no dia t, e Q gw é a fluxo de retorno (ascensão capilar) no dia t (mm).

20 METODOLOGIA SWAT CUP - SWAT Calibration and Uncertainty Procedures SUFI2 - Sequential Uncertainty Fitting Utiliza o método do hipercubo latino para definição dos valores de parâmetros; Inicia com uma faixa de valores de parâmetros determinada pelo usuário; 2001 iterações.

21 METODOLOGIA FUNÇÕES OBJETIVO NSE - Nash-Sutcliffe NSE 1 i1 n i1 Melhor ajuste para vazões altas Valor ideal 1 n Q Q obs i obs i Q Q Faixa aceitável: NSE 0,5 2 sim i 2 mean Pbias Pbias - Percent Bias n i1 Q n i1 obs Melhor ajuste para os volumes Valor ideal 0% Faixa aceitável: Pbias ±25% i Q obs i Q sim i 100

22 RESULTADOS E DISCUSSÕES

23 RESULTADOS E DISCUSSÕES INTERPOLAÇÃO DOS DADOS DE CHUVA Três arranjos diferentes foram testados. O escolhido foi o arranjo com quatro estações de monitoramento: Sem interpolação Com interpolação Ano NSE Pbias NSE Pbias ,21 20,1 0,42 14, ,67 3,0 0,71 1, ,80-0,7 0,74-2, ,67 4,4 0,66 3, ,74 0,0 0,75 0, ,86-1,1 0,87 0, ,87 4,7 0,85 10, ,61 6,4 0,59 0, ,91-0,2 0,91 1, ,56-0,1 0,65-2, * 0,69 20,3 0,70 9, * 0,60 18,4 0,63 2,6

24 RESULTADOS E DISCUSSÕES Filtro Base Flow para separação dos escoamentos. Aplicado aos dados vazão de 2002 a 2013 Cálculo do fator ALPHA_BF (Constante de recessão do escoamento de base) utilizado pelo SWAT para o cálculo do escoamento de base. ALPHA_BF igual 0,0609 (dias) SEPARAÇÃO DOS ESCOAMENTOS

25 RESULTADOS E DISCUSSÕES Vazão(m³/s) SIMULAÇÃO SEM CALIBRAÇÃO Insatisfatória: NSE -0,71 e Pbias de 56,5 Observada Simulada /01/03 01/01/04 01/01/05 01/01/06 01/01/07 Tempo (dias)

26 RESULTADOS E DISCUSSÕES Vazão (m³/s) Chuva (mm) Vazão (m³/s) Chuva (mm) 25 CALIBRAÇÃO, VALIDAÇÃO E ANÁLISE ESTATÍSTICA Split-Sample Test Chuva Observada Simulada Chuva Observada Simulada Tempo (meses) Tempo (meses) Anos Tipo NSE Pbias (%) Calibração 0,70 9, Validação 0,63 2, Calibração 0,73 3, Validação 0,55 18,5 1400

27 Vazão (m³/s) Chuva (mm) RESULTADOS E DISCUSSÕES CALIBRAÇÃO, VALIDAÇÃO E ANÁLISE ESTATÍSTICA 35 Differential Split-sample Test Chuva Observada Simulada Tempo (dias)

28 Vazão (m³/s) Chuva (mm) RESULTADOS E DISCUSSÕES CALIBRAÇÃO, VALIDAÇÃO E ANÁLISE ESTATÍSTICA Chuva Observada Simulada 20 Differential Split-sample Test Tempo (dias)

29 RESULTADOS E DISCUSSÕES CALIBRAÇÃO, VALIDAÇÃO E ANÁLISE ESTATÍSTICA Proxy-Catchment Test A série de dados monitorados no exutório da BHRN compreende o período de 21/05/2010 a 17/11/2010

30 RESULTADOS E DISCUSSÕES Vazão (m³/s) Chuva (mm) Vazão (m³/s) Chuva (mm) CALIBRAÇÃO, VALIDAÇÃO E ANÁLISE ESTATÍSTICA Proxy-Catchment Test Chuva Observada Simulada Chuva Observada Simulada /05 21/06 21/07 21/08 21/09 21/10 Tempo (dias) /05 21/06 21/07 21/08 21/09 21/10 Tempo (dias) 140 Calibração Rio Negrinho Montante: NSE de 0,33 e Pbias de 1,5%. Validação no exutório: NSE de 0,0 Pbias de 0,1%

31 RESULTADOS E DISCUSSÕES BALANÇO HÍDRICO Para a calibração mensal de 2003 a 2009 Evapotranspiração real: 45% Percolação: 35% Recarga do aquífero profundo: 0,2% Escoamento superficial 40% da vazão total e 19% do total de chuva Escoamento de base é 60% da vazão total.

32 CONCLUSÕES A metodologia proposta ao SWAT, garante a avaliação do modelo nas escalas espacial temporal na Bacia Hidrográfica do Rio Negrinho. É possível calibrar de forma eficiente o modelo SWAT na bacia hidrográfica do Rio Negrinho? A bacia mostrou-se apropriada para execução dos métodos, os múltiplos usos do solo e a existência de dados monitorados ajudam a dar confiabilidade à metodologia. O modelo mostrou-se eficiente para a maioria dos procedimentos de calibrações mensais e diárias (NSE 0,5 e Pbias ±25).

33 CONCLUSÕES O modelo apresenta bom desempenho na transição entre anos secos e úmidos? O SWAT mostrou-se representativo quando o objetivo é a simulação de cenários de clima úmido. O modelo possui potencial para estimar impactos sobre a mudança do uso do solo? No teste para a verificação da eficiência do modelo em prever mudanças no uso do solo, o modelo apresentou boa representação para o cálculo dos volumes.

34 RECOMENDAÇÕES Divisão da série para a Análise de Sensibilidade Testar outras Funções Objetivo Acrescentar Análises de Incerteza

35 MUITO OBRIGADA!

36 RESULTADOS E DISCUSSÕES CALIBRAÇÃO, VALIDAÇÃO E ANÁLISE ESTATÍSTICA Differential Split-sample Test CN2: No período úmido o escoamento Tende a ser gerado por um excesso de água no solo, ao contrário do ano seco onde o processo de infiltração dominará o processo. CH_N1 e N2: relacionado com as margens e fundo do rio. GW_DELAY: o tempo de recarga do aquífero raso pelas camadas mais profundas do solo é maior em anos secos. Processo Parâmetro Ano Seco Ano Úmido CN SURLAG 0,33 1,14 Escoamento CH_K2 3,21 1,69 superficial e tempo CH_K1 3,31 2,66 de concentração CH_N2 0,06 0,04 CH_N1 0,13 0,14 Umidade do solo SOL_AWC 0,10-0,14 0,11-0,13 Evapotranspiração ESCO 0,78 0,78 CANMAX 1,09 1,57 GW_DELAY 73,01 19,01 Águas subterrâneas GW_QMN 0 512,48 GW_REVAP 0,14 0,14 RCHRG_DP 0,01 0,03 Fluxo Lateral SLSOIL 38,84 82,65 LATTIME 16,83 64,93