Calibração e validação do modelo hidrológico

O processo de calibração se inicia com a definição das condições iniciais do modelo. No MGB-IPH a condição inicial pode ser definida pelo usuário e, nesse trabalho, adotou-se uma vazão específica de base de 0,01m³/s.km² e que o solo possuía umidade de 40%. Além disso, definiu-se que os resultados do primeiro ano de simulação seriam desconsiderados no cálculo das métricas, considerando esse intervalo como um período de aquecimento do modelo.

Os parâmetros que foram calibrados, relacionados ao balanço de água no solo, são: armazenamento máximo de água no solo Wm; parâmetros relacionados aos escoamentos subsuperficial, Kint, e subterrâneo, Kbas; parâmetros relacionados ao tempo de propagação dos escoamentos superficial, CS, subsuperficial, CI, e subterrâneo, CB (estimado com base no método desenvolvido por Fan et al., 2015).

Para alguns parâmetros passíveis de calibração foram adotados aqueles valores padrões sugeridos pelo modelo. Esses parâmetros são: XL, que controla à redução da drenagem intermediária ou subsuperficial do solo; CAP, associado à capilaridade do solo; e o WC, representando o limite de armazenamento para que ocorra fluxo ascendente ou descendente no solo. O coeficiente de rugosidade de Manning não foi calibrado e adotado igual a 0,03 para toda a bacia. Essa consideração foi feita por Collischonn (2001), assumindo que os resultados do modelo são pouco sensíveis às variações desse coeficiente.

Foi realizada uma calibração e duas validações do modelo hidrológico. Na calibração, os valores dos parâmetros calibráveis foram definidos para cada sub- bacia, após diversos ajustes manuais, sempre comparando os valores simulados com os observados, a fim de representar de forma adequada as condições reais da área de estudo. As comparações dos resultados foram realizadas de forma visual a partir dos hidrogramas e curvas de permanência de vazão e a partir de métricas de desempenho.

A primeira validação do modelo consistiu em dividir a a série de vazões em duas partes, uma sendo utilizada para calibração (1970-2010) e outra para validação (1960-1969). Essa primeira validação foi realizada com 21 estações fluviométricas, que é a quantidade de estações com mais de cinco anos de dados em ambos os períodos.

Na segunda validação, utilizou-se dados de vazão de 55 postos fluviométricos para o período entre 1979 e 2010 para a validação. Contudo, para esse período, foi realizado uma nova simulação das vazões, utilizando valores de precipitação da base de dados MSWEP (Multi-Source Weighted-Ensemble Precipitation), desenvolvida por Beck et al. (2016). O MSWEP possui cobertura global com informações de 1979-2016, com resolução temporal de 3 horas e espacial de 0,25º (25 km) que mescla informações de redes pluviométricas, produtos de satélite e de reanálises climáticas. Como os dados são disponibilizados em formato de grade, foram criadas estações virtuais de chuva para o centroide de cada grade. Os dados de chuva dessas estações virtuais foram interpolados, utilizando o método Inverso da Distância ao Quadrado, para o centroide de cada minibacia.

Foram utilizadas 3 métricas de desempenho, que são tradicionalmente empregadas na avaliação de modelos hidrológicos: índice de eficiência de Nash e Sutcliffe (1970), chamado de ENS, utilizado para comparar vazões observadas e simuladas; índice de eficiência de Nash e Sutcliffe entre o logaritmo das vazões observadas e simuladas (ENSlog) e o erro no volume total (Bias - ΔV, Gupta, 1999). O índice ENS indica o quanto as predições do modelo são melhores que aquelas de um modelo que prevê simplesmente a média dos dados observados. O índice para o logaritmo das vazões favorece ajustes nas vazões menores. O erro de volume compara os volumes totais simulados e observados e aponta o quanto o simulado difere do observado. Os parâmetros calibráveis adotados para cada sub-bacia são apresentados no Apêndice III.

Com as estatísticas de desempenho calculadas, utilizou-se a classificação proposta por Moriasi et al. (2007) para verificar a performance do modelo. As classes para cada índice são apresentadas na Tabela 5-5. Essa tabela foi construída considerando os resultados de modelos que utilizam passo de tempo mensal, enquanto que no presente trabalho se utilizou um modelo com passo de tempo diário. A escolha de se utilizar essas faixas foi realizada considerando que os resultados das métricas encontrados para modelos com passo de tempo mensal geralmente são melhores que para modelos com passo de tempo diário (MORIASI et al., 2007). Assim, se a avaliação, considerando as faixas propostas, indicasse que o modelo apresentou um bom desempenho, caso as faixas existissem para modelos com passo de tempo diário, esse desempenho também seria bom.

Tabela 5-5: Performance para estatísticas recomendadas para passo de tempo mensal. Adaptado de Moriasi et al. (2007)

Performance ENS BIAS (%)

Muito bom 0,75-1,00 < |15|

Bom 0,65-0,75 |15|-|30|

Satisfatório 0,50-0,65 |30|-|55|

Insatisfatório <0,50 > |55|

5.3 Preparação do módulo de produção de sedimentos no modelo MGB-SED

Conforme apresentado em Buarque (2015), o módulo de sedimentos também necessita de uma etapa de pré-processamento, onde são quantificadas as áreas de

drenagem acumuladas e definidos os parâmetros da MUSLE (Equação 11). Foi utilizado o volume de escoamento superficial gerado pelo MGB-IPH para calcular a produção de sedimentos em cada minibacia. Esse pré-processamento fornece informações necessárias para que a produção de sedimentos da bacia e o transporte do rio sejam computados durante a simulação do MGB-SED. Na presente aplicação foi desprezado o fator FG, relacionado a fragmentos de rocha. Nas sub-bacias 16 e 17 existe uma área de aproximadamente 20% com afloramentos rochosos (Pontões Capixaba), contudo, não foi avaliado o impacto de se desprezar o fator FG para essas regiões.

𝑆𝑒𝑑 = 𝛼. (𝑄_𝑠𝑢𝑝 ∗ 𝑞_{𝑝𝑖𝑐𝑜}∗ 𝐴)𝛽_{. 𝐾. 𝐶. 𝑃. 𝐿𝑆 (11)}

em que 𝑆𝑒𝑑[t/dia] é a produção de sedimentos, 𝑄_𝑠𝑢𝑝[mm/ha] é o volume de escoamento superficial, 𝑞_{𝑝𝑖𝑐𝑜}[m³/s] é a taxa de pico do escoamento superficial, 𝐴[ha] é a área superficial, 𝐾[0,013.t.m².h./m³.t.cm] é o fator erodibilidade do solo, 𝐶[-] é fator de cobertura e manejo do solo, 𝑃[-] é o fator de práticas conservacionistas, 𝐿𝑆[-] é o fator topográfico, 𝛼 e 𝛽 são coeficientes de ajuste, ora adotados como 11,8 e 0,56, respectivamente, como proposto por Williams (1975), ora calibrados automaticamente.