CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DE MODELO DE PREVISÃO DE INUNDAÇÕES EM TEMPO REAL DO MUNICÍPIO DE SÃO PAULO

CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DE MODELO DE PREVISÃO DE INUNDAÇÕES EM TEMPO REAL DO MUNICÍPIO DE SÃO PAULO André S. K. B. Sosnoski 1 ; Sara M. Pion* 2 ; Sandra Uemura 3 ; Flavio Conde 4 Resumo O desenvolvimento de um modelo de previsão de inundações em tempo real confiável e preciso passa por seguidas etapas de calibração e validação de seus resultados. O Município de São Paulo juntamente ao corpo técnico da Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH) desenvolve a implementação do modelo em tempo real para aprimorar o Sistema de Alerta de Inundações do município e garantir qualidade e confiança às informações publicadas. Neste artigo será descrito o procedimento de calibração e validação deste modelo, utilizando o estudo de caso na bacia do Morro do S, tendo como referência os eventos ocorridos no período chuvoso 2014-2015. Será discutida a validade deste procedimento e quais seriam as alternativas para atingir resultados suficientes às necessidades exigidas, concluindo que procedimentos simplificados são efetivos para aumentar a qualidade dos resultados. Aplicar ferramentas de correção automática dos eventos seria a opção mais interessante para reduzir a dependência de corpo técnico para a calibração. Palavras-Chave Modelo em tempo real, inundação, calibração. CALIBRATION AND VALIDATION OF A REAL-TIME FLOOD INUNDATION MODEL IN SÃO PAULO, BRAZIL Abstract The development of precise and reliable Real-time flood models needs constant calibration and validation processes. São Paulo s Municipality is working together with Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH) to develop and implement the real-time model and to improve São Paulo s flood inundation alert system and reassure published information quality and assuredness. The proceedings of calibrating and validating the model will be described in this article using a case study with Morro do S basin, regarding events during 2014-2015 rainy season. The validity of this procedure will be evaluated, taking into account the alternatives to achieve sufficient results and all the required normative obligations. This brings to a conclusion that simplified procedures are effective to enhance the results quality and by applying automatic correction tools for the model, it will be possible to reduce human dependency in the processes without excluding their expertise when calibrating the model. Keywords Realtime model, flooding, calibration. 1 Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH); andre.sosnoski@fcth.br 2 Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH); sara.pion@fcth.br 3 Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH); sandra@fcth.br 4 Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH); conde@saisp.br. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

INTRODUÇÃO A cidade de São Paulo sofre repetidamente com os impactos de chuvas intensas e das consequentes inundações. A impermeabilização das bacias urbanas e a ocupação de áreas de risco caracterizam um cenário propicio para a redução dos tempos de concentração nas bacias e aumento dos impactos à população. Os agentes envolvidos no planejamento e defesa do território necessitam, portanto, de agilidade na reação aos eventos e ferramentas confiáveis que sustentem seu plano de ações estratégicas. O desenvolvimento de um modelo de previsão de inundações em tempo real auxilia esta necessidade do município e garante respaldo técnico para tomada de decisões. Trata-se de uma representação simplificada da realidade, com o objetivo de compreender o seu comportamento e respostas a diferentes estímulos. Segundo Tucci (1998), o modelo hidrológico é uma das ferramentas que a ciência desenvolveu para melhor entender e representar o comportamento da bacia hidrográfica e prever condições diferentes das observadas. Para que o modelo represente de forma confiável o comportamento observado na bacia hidrográfica, deve ser submetido a processos de calibração e validação. A fase de calibração consiste em ajustes ou estimativas dos parâmetros que regem este comportamento; estes devem ser ajustados de forma que, ao submeter-se o modelo a determinada condição de entrada real conhecida, os resultados obtidos nas simulações do modelo se aproximem dos dados reais observados nas mesmas condições. A validação de um modelo é definida como o processo de demonstração de que o modelo calibrado para um local específico é capaz de fazer previsões acuradas para períodos que se encontram fora daquele utilizado na calibração (Refsgaard e Henriksen, 2004). Para Refsgaard (1997) a validação pode ser definida como a comprovação de que um modelo, dentro do seu domínio de aplicação, apresenta acurácia satisfatória, consistente com a aplicação que se pretende dar ao modelo. Este artigo apresenta a descrição e discussão do procedimento de calibração e validação do modelo de previsão de inundações em tempo real, utilizando a interface do PCSWMM (desenvolvida pela Computational Hydraulics International CHI) no estudo de caso na bacia do Morro do S, situada no Município de São Paulo, tendo como referência os eventos ocorridos no período chuvoso de 2014 a 2015. CARACTERIZAÇÃO DO MODELO O modelo de cálculo selecionado pela Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH) para simular as condições hidrológicas e hidráulicas para previsão de inundações em bacias do Município de São Paulo foi o Storm Water Management Model (SWMM) da U.S. Environmental Protection Agency (EPA), por meio da interface PCSWMM. Esta interface integra a modelagem chuva-vazão para a estimativa de vazão e nível d água na rede de drenagem e ferramentas de Sistemas de Informação Geográfica (SIG) na estimativa da extensão de manchas de inundação. Oliveira et al. (2014) destacam em seu estudo a aplicabilidade do PCSWMM no desenvolvimento de sistemas de alerta a áreas vulneráveis à inundação, baseado na definição prévia de áreas estratégicas de interesse. O PCSWMM utiliza informações geomorfológicas disponibilizadas no Modelo Digital da Cidade (MDC), desenvolvido pela Prefeitura de São Paulo. A partir do MDC, são produzidos os XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

modelos digitais de terreno, que auxiliam no traçado das manchas de inundação, enquanto fornecem a base para a caracterização física das bacias, como a determinação de sua declividade e largura média e comprimento do talvegue. As bacias são divididas em um conjunto de sub-bacias, cada qual com seus respectivos usos e ocupação do solo, áreas permeáveis e impermeáveis. O cálculo das características de infiltração de cada sub-bacia foi baseado na metodologia desenvolvida pelo SCS Curve Number (Soil Conservation Service Runoff Curve Number). O valor médio de CN em uma determinada sub-bacia foi definido a partir da média ponderada dos CNs dos usos em relação a área da mesma. Foram ainda realizados levantamentos de campo a fim de caracterizar mais detalhadamente os canais, traçando-se as seções transversais do canal principal e aferindo cotas nos pontos de interesse. Na simulação do escoamento sobre a bacia e os canais, foi utilizado o cálculo da onda dinâmica, que tem como base as equações completas de Saint-Venant. Estudo de caso A bacia do Morro do S está localizada na zona sul do município de São Paulo (Figura 1 e Figura 2). Trata-se de uma região densamente ocupada, com histórico de recorrentes inundações. O córrego principal é o Morro do S, formado por dois afluentes principais, Córrego Moenda Velha e Córrego Água dos Brancos/Capão Redondo. Figura 1 Localização da Bacia Hidrográfica do Morro do S, Município de São Paulo - SP XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

347 1000853 306 Figura 2 Bacia hidrográfica do Morro do S e identificação de respectivos pontos de monitoramento telemétrico Esta bacia possui três pontos de monitoramento telemétrico (identificados na Figura 2), que enviam as condições de cota d água de 10 em 10 minutos, cujos dados são utilizados nos procedimentos de calibração e validação. Posto 347 - Córrego Morro do S - Rua Joaquim Nunes Teixeira Posto 306 - Córrego Morro do S - Campo Limpo (PMSP/CL-02) Posto 1000853 - Córrego Morro do S - Capão Redondo (PMSP/CL-01) Metodologia de Calibração e validação A interface PCSWMM não permite correções em tempo real dos parâmetros do modelo, ou seja, não permite que os procedimentos de calibração sejam autorregressivos. Desta forma, a calibração do modelo é realizada a partir de dados históricos, assumindo a hipótese de que os parâmetros resultantes seriam suficientes para garantir a qualidade dos resultados em eventos futuros. Verifica-se a acurácia da calibração, comparando valores de cota d água registrados nos postos telemétricos com os valores calculados em tempo real pelo modelo. Em seguida, os registros de eventos mais recentes de chuva intensa são utilizados para validar a última calibração efetuada. Com base nos resultados obtidos na validação, Caso sejam encontradas discrepâncias, deve ser efetuado um novo ajuste nos parâmetros. A calibração a ser realizada utilizará o histórico anterior acrescido de, no mínimo, um período chuvoso registrado mais recentemente. Após a incorporação destes novos dados de precipitação intensa, o modelo é novamente calibrado, a fim de representar adequadamente as alterações sofridas pela bacia hidrográfica. Inicialmente, o modelo foi calibrado com base nos históricos de registros em cada um dos postos telemétricos, até o ano de 2013, abrangendo dados suficientes para que os parâmetros característicos da bacia fossem refinados. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

Dados simulados Dados observados Figura 3 Detalhe da calibração da bacia do Morro do S O processo de validação consistiu na análise de longa duração de todos os eventos ocorridos, ao longo do período chuvoso de 2014-2015, sejam eles de pequena ou grande intensidade. A validação em tempo real calcula a diferença entre as cotas obtidas na simulação e aquelas registradas pelo posto telemétrico correspondente. Como o modelo foi desenvolvido para eventos de inundação, os valores interessantes para validar os resultados do modelo são aqueles de maior intensidade. Portanto, as diferenças foram registradas somente em picos dos eventos de maior intensidade do dia. A extensão das manchas de inundação geradas pelo modelo também foi considerada no processo de validação garantindo que as áreas atingidas fossem devidamente representadas. Para dar suporte a esta etapa de validação, foi necessário o levantamento destas manchas em campo, auxiliando na identificação da extensão das áreas alagadas. O evento selecionado para este levantamento, ocorreu no dia 19 de março de 2015. Foram realizadas duas visitas a campo para demarcar os pontos limites atingidos pela água utilizando o equipamento GPS -RTK, que permitiu a representação gráfica destes pontos sobre a base de mapas Google para posterior comparação à mancha obtida na simulação. (Figura 4) XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

Variação de Cota (m) RESULTADOS Figura 4 - Localização dos pontos limite de inundação levantados em campo em 19/03/2015 (base Google) A calibração do modelo com os dados históricos até 2013 transcorreu de forma simples e determinou parâmetros coerentes com o cenário esperado para a bacia. Para exemplificar o resultado da validação, os valores obtidos de cotas d água para o Posto 306 são apresentados na Figura 5, com os registros das máximas diferenças obtidas para os picos dos eventos mais críticos ao longo do mês de Janeiro de 2015. 1 0.5 0 0-Jan 5-Jan 10-Jan 15-Jan 20-Jan -0.5 Posto : 306 - Córrego Morro do S - Campo Limpo (PMSP/CL-02) -1 Data (dia-mês) Figura 5 - Diferenças entre cotas d'água obtidas na simulação e registros para os picos dos eventos críticos na etapa de validação do modelo A Figura 6 apresenta a comparação entre a mancha de inundação calculada pelo modelo PCSWMM e a área inundada delimitada em campo. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

Figura 6 - Traçado da mancha de inundação calculada pelo modelo para o evento de 19 de março de 2015 Em comparação à área delimitada em campo, constata-se que a região inundada prevista pelo modelo apresenta limites próximos aos limites de campo, porém o modelo ignora a presença de edificações na determinação da mancha e prevê que a inundação também ocorrerá na região interior aos lotes. DISCUSSÃO O modelo, caracterizado pelos parâmetros determinados na fase de calibração, se mostrou representativo para eventos que ocorreram fora do período utilizado na mesma, apresentando discrepâncias consideradas aceitáveis em relação aos valores de cota d água observados nos postos telemétricos. Apesar da diferença resultar em valores que variam +/- 1 metro, a grande oscilação da intensidade dos eventos registrados no período foi normalizada com os parâmetros definidos. Como o funcionamento do modelo é em tempo real, este permite que os valores calculados sejam comparados aos valores observados no próprio evento, no momento em que ocorre, e permitem inferir o comportamento dos eventos críticos previstos. O uso de ferramentas de auto calibração corrigiria em tempo real as oscilações dos resultados, corrigindo o histórico a partir dos dados observados utilizando-o como ponto de partida para simular o próximo evento previsto. No entanto, este estudo tratou de avaliar que a avaliação humana das tendências apresentadas nas leituras telemétricas, auxilia na indicação das tendências de inundações simuladas, sem comprometer os resultados de alertas. Quanto às inundações do dia 19 de março de 2015, é possível considerar que a mancha gerada pelo modelo seja fiel à registrada em campo, mesmo que tenha previsto inundação interior aos lotes. Apesar disso, deve-se observar que bacias hidrográficas são sensíveis a mudanças nas características geomorfológicas e que, principalmente em bacias urbanas, estas mudanças são frequentes. Tucci (1998) destaca que uma bacia urbana que modifique as suas condições de impermeabilização e canalização terá seus parâmetros alterados e que, quando os parâmetros sofrem modificações com o tempo, o ajuste e a verificação devem contemplar estas condições. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

Assim sendo, os parâmetros obtidos na calibração inicial devem ser atualizados periodicamente de forma a contabilizar as alterações ocorridas nas sub-bacias ao longo do tempo. A calibração inicial, neste estudo, se mostrou válida para longos períodos chuvosos subsequentes, demonstrando que é possível prever o comportamento da bacia, sem que haja necessidade de aplicação de calibração autoregressiva do modelo. Sugere-se que os parâmetros sejam atualizados em períodos de três em três meses, devido à ocorrência de alterações frequentes em solos de bacias urbanas, como é o caso da bacia do Morro do S e respectivas sub-bacias. Este procedimento garante que o espaço amostral da calibração seja ampliado constantemente, respaldando a calibração. CONCLUSÃO O estudo permite concluir que um procedimento simplificado de calibração, em alternativa à auto calibração em tempo real, pode ser efetivo para aumentar a qualidade dos resultados, uma vez que a interface PCSWMM não permite a aplicação de procedimentos de auto calibração. Ainda neste contexto, a calibração manual pode ser aperfeiçoada através de aplicação de correções periódicas dos parâmetros, o que seria interessante para reduzir a margem de erro dos estudos. É interessante ressaltar a importância do monitoramento e manutenção de banco de dados utilizados para a atualização periódica dos parâmetros das sub-bacias nos procedimentos de calibração e validação desenvolvidos acima. Mesmo em estágio de validação, o estudo de caso apresentado demonstra o potencial da ferramenta utilizada (PCSWMM) para a previsão das inundações no município. Considerando as consequências das inundações, o modelo utilizado neste estudo é uma ferramenta útil na delimitação de áreas inundadas ainda que não existam ferramentas de auto correção dos parâmetros. O Procedimento adotado é, portanto, suficiente para garantir a acurácia dos resultados, e a manutenção do modelo seguindo periódicas calibrações em consonância com o procedimento de validação. REFERÊNCIAS OLIVEIRA, C.P.M. et al.(2014). Warning system based on real-time flood forecasts in São Paulo, Brazil. In: 6 th International Conference On Flood Management. São Paulo. REFSGAARD, J.C. (1997) Parameterisation, calibration and validation of distributed hydrological models. Journal of Hydrology, v. 198, n. 1-4, p. 69-97, 1997. REFSGAARD, J.C.; HENRIKSEN, H.J. (2004). Modelling guidelines terminology and guiding principles. Advances in Water Resources, v. 27, n. 1, p. 71-82, 2004. TUCCI, C. E. M. (1998). Modelos hidrológicos. Porto Alegre: Ed. Universidade/UFRGS/Associação Brasileira de Recursos Hídricos. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8