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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
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
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.
JUSTIFICATIVA
Por fim... por que este estudo?
Por que o modelo hidrológico Soil and Water Assessment Tool?
Por que a bacia hidrográfica do Rio Negrinho?
Por que a escolha da metodologia?
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.
MATERIAIS E MÉTODOS
▪ A metodologia utilizada pretende aplicar uma proposta de diferentes cenários de calibração e validação para o modelo SWAT.
ÁREA DE ESTUDO • A área selecionada foi à bacia hidrográfica do Rio Negrinho - BHRN
• 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
METODOLOGIA
METODOLOGIA
DADOS DE ENTRADA
MONITORAMENTO
Estação Tipo Período*
EPAGRI Met./ Pluv. 1999 – 2012
Corredeiras Pluv. 1999 – 2012
Campo Alegre
Pluv. 1999 – 2012
Rio Novo Pluv. 1999 – 2012
Rio Negrinho Montante
Nível 2003 – 2012
Exutório Nível 2010
*Utilizado nas simulações; 4 anos de warmup
METODOLOGIA
MONITORAMENTO EXUTÓRIO DA BACIA
▪ Tempo:
10 em 10 min.
Período total de dados:
2009 a 2014
Fonte: Malutta (2012)
MATERIAL CARTOGRÁFICO
METODOLOGIA
O Modelo Numérico do
Terreno (DEM): Resolução de células de
30m
▪ 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
DADOS DE ENTRADA
INTERPOLAÇÃO DOS DADOS DE CHUVA
METODOLOGIA
Ferramenta PCP SWAT: Facilita a estimativa da precipitação espacial;
Método: Krigagem Simples com Diferentes Médias Locais com Elevação como Variável Externa.
CURVA-CHAVE
METODOLOGIA
Exutório: Cotas (h): 0,78m a 4,98m Vazão (Q): 0,87 m³/s a 49,10 m³/s
Rio Negrinho Montante: Cota (h) : 0,2m a 4,25m Vazão (Q): 0,82 m³/s a 29,92 m³/s
Desvio médio: 6,7%
Desvio médio: 15,2%
66,0h0029,1
8306,7Q 01,0h2293,1
0001,5Q
METODOLOGIA
SEPARAÇÃO DOS ESCOAMENTOS
A vazão medida foi separada em duas partes: escoamento superficial e escoamento de base Método utilizado: Filtro Automático Base Flow
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:
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.
q1tt
1t
2
β1βqt
qQtt
bt
Qt
Processo Parâmetro Descrição Unidade
Escoamento superficial e
tempo de concentração
CN2 Curva Número inicial para condição de umidade do solo II - SURLAG Coeficiente do retardamento do escoamento superficial direto - CH_K2 Condutividade efetiva no canal principal mm/h CH_K1 Condutividade efetiva nos canais tributários mm/h 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
Evapotranspiração ESCO Coeficiente de compensação de evaporação de água no solo - CANMAX Quantidade de água interceptada mm
Águas subterrâneas
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
Fluxo Lateral SLSOIL Comprimento da declividade para o escoamento subsuperficial m LATTIME Escoamento lateral dias
ANÁLISE DE SENSIBILIDADE, CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DE MODELOS HIDROLÓGICOS
*O restante dos parâmetros permaneceu com o valor default do modelo
ANÁLISE DE SENSIBILIDADE, CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DE MODELOS HIDROLÓGICOS
METODOLOGIA
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.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
Va
zã
o (
m³/
s)
Tempo
Differential Split-Sample 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.
Proxy-Catchment Test 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.
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
▪ 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, 2012
METODOLOGIA
ANÁLISE DE SENSIBILIDADE, CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DE MODELOS HIDROLÓGICOS
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012C
oe
fici
en
te d
e E
sco
am
en
toTempo (anos)
Úmido
Seco
... o objetivo é dar segurança de que os modelos não vão ser aplicados em estudos além de suas capacidades.
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
METODOLOGIA
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:
onde, SWt é a quantidade final de água no solo (mm), SWo é a quantidade inicial de água no solo no dia t(mm), t é o tempo (dias), Rday é a precipitação total no dia t (mm), Qsup o escoamento superficial no dia t (mm), Ea é a evapotranspiração total no dia t (mm), Wseep é a percolação no dia t, e Qgw é a fluxo de retorno (ascensão capilar) no dia t (mm).
t
1igwseepasupday0t QWEQRSWSW
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.
FUNÇÕES OBJETIVO
NSE - Nash-Sutcliffe
▪ Melhor ajuste para vazões altas
▪ Valor ideal 1
▪ Faixa aceitável: NSE≥0,5
Pbias - Percent Bias
▪ Melhor ajuste para os volumes
▪ Valor ideal 0%
▪ Faixa aceitável: Pbias≤±25%
METODOLOGIA
n
1i
2
n
1i
2
meanobsi
simi
obsi
1NSE
100Pbias
n
1i
obs
i
n
1i
sim
i
obs
i
Q
RESULTADOS E DISCUSSÕES
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 2003 0,21 20,1 0,42 14,4 2004 0,67 3,0 0,71 1,2 2005 0,80 -0,7 0,74 -2,6 2006 0,67 4,4 0,66 3,4 2007 0,74 0,0 0,75 0,9 2008 0,86 -1,1 0,87 0,8 2009 0,87 4,7 0,85 10,8 2010 0,61 6,4 0,59 0,9 2011 0,91 -0,2 0,91 1,6 2012 0,56 -0,1 0,65 -2,9
2003-2009* 0,69 20,3 0,70 9,0 2010-2012* 0,60 18,4 0,63 2,6
SEPARAÇÃO DOS ESCOAMENTOS
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)
SIMULAÇÃO SEM CALIBRAÇÃO Insatisfatória: NSE -0,71 e Pbias de 56,5
RESULTADOS E DISCUSSÕES
0
10
20
30
40
50
60
70
80
01/01/03 01/01/04 01/01/05 01/01/06 01/01/07
Vaz
ão(m
³/s)
Tempo (dias)
Observada
Simulada
CALIBRAÇÃO, VALIDAÇÃO E ANÁLISE ESTATÍSTICA Split-Sample Test
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Anos Tipo NSE Pbias (%) 2003-2009 Calibração 0,70 9,0 2010-2012 Validação 0,63 2,6 2006-2012 Calibração 0,73 3,4 2003-2005 Validação 0,55 18,5
0
200
400
600
800
1000
1200
14000
5
10
15
20
25
2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Ch
uva
(m
m)
Vaz
ão (
m³/
s)
Tempo (meses)
Chuva
Observada
Simulada
0
200
400
600
800
1000
1200
14000
5
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20
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2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Ch
uva
(m
m)
Vaz
ão (
m³/
s)
Tempo (meses)
Chuva
Observada
Simulada
Differential Split-sample Test
RESULTADOS E DISCUSSÕES
CALIBRAÇÃO, VALIDAÇÃO E ANÁLISE ESTATÍSTICA 0
20
40
60
80
100
120
140
0
5
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15
20
25
30
35
40
45
Ch
uva
(mm
)
Vaz
ão (m
³/s)
Tempo (dias)
Chuva
Observada
Simulada
2007
2011
RESULTADOS E DISCUSSÕES
CALIBRAÇÃO, VALIDAÇÃO E ANÁLISE ESTATÍSTICA Differential Split-sample Test
2007
2011
0
20
40
60
80
100
120
1400
5
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15
20
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30
35
40
45
Ch
uva
(mm
)
Vaz
ão (m
³/s)
Tempo (dias)
Chuva
Observada
Simulada
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
RESULTADOS E DISCUSSÕES
CALIBRAÇÃO, VALIDAÇÃO E ANÁLISE ESTATÍSTICA
Proxy-Catchment Test
Calibração Rio Negrinho Montante: NSE de 0,33 e Pbias de 1,5%.
Validação no exutório: NSE de 0,0 Pbias de 0,1%
0
20
40
60
80
100
120
140
0
5
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15
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25
21/05 21/06 21/07 21/08 21/09 21/10
Ch
uva
(m
m)
Vaz
ão (
m³/
s)
Tempo (dias)
Chuva
Observada
Simulada
0
20
40
60
80
100
120
140
0
5
10
15
20
25
21/05 21/06 21/07 21/08 21/09 21/10
Ch
uva
(m
m)
Vaz
ão (
m³/
s)
Tempo (dias)
Chuva
Observada
Simulada
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.
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).
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.
RECOMENDAÇÕES
• Divisão da série para a Análise de Sensibilidade
• Testar outras Funções Objetivo • Acrescentar Análises de Incerteza
MUITO OBRIGADA! [email protected]
RESULTADOS E DISCUSSÕES
CALIBRAÇÃO, VALIDAÇÃO E ANÁLISE ESTATÍSTICA Differential Split-sample Test
Processo Parâmetro Ano Seco Ano Úmido
Escoamento superficial e tempo
de concentração
CN2 76 - 90 78 - 94 SURLAG 0,33 1,14 CH_K2 3,21 1,69 CH_K1 3,31 2,66 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
Águas subterrâneas
GW_DELAY 73,01 19,01 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
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.
