4.2 Modelos hidrológicos e objetos hidráulicos
4.2.1 Objetos Base
A seguir são apresentados os modelos hidrológicos mais usados para a simula- ção de uma bacia hidrográ ca. Alguns destes modelos são combinações de outros modelos mais simples (GSM, SWMM, SAC-SMA e Snow-GSM) e por isso não são descritos.
Génie Rural à 4 Paramètres Journalier (GR4J)
O GR4J é um modelo determinístico-empírico que realiza a representação de descargas médias diárias com cinco parâmetros (Tabela 4.1), e requer informação de pre- cipitação (Peq) e evapotranspiração (ET P ) média diária para gerar séries de uxos. O modelo GR4J (Figuras 4.1 e 4.6) tem dois reservatórios que são responsáveis pelo arma- zenamento da precipitação onde se produzem os fenômenos de percolação e in ltração. Os processos de precipitação sólidas não são levados em consideração neste modelo.
Figura 4.1: Modelo GR4J. Fonte: HERNÁNDEZ et al. (2015).
Tabela 4.1: Lista de parâmetros e condições iniciais para o modelo GR4J.
Nome Unidade Descrição Intervalo Regular
A m2 Superfície da bacia >0
X1 m Capacidade de depósito de produção (Production Reservoir) 0.01 a 1.2
X2 m Coe ciente de troca de água -0.005 a 0.003
X3 m Capacidade do depósito de laminação (Routing Reservoir) 0.01 a 0.5
X4 d Tempo base dos hidrogramas unitários -0.5 a 1
Slni m Conteúdo de água inicial no reservatório de produção (Production Reservoir) -
Rlni m Nível inicial de água no reservatório de laminação (Routing Reservoir) -
Fonte: HERNÁNDEZ et al. (2015).
Soil Contibution (SOCONT)
O SOCONT é um modelo que aglomera em série três modelos hidrológicos de menor complexidade. O primeiro deles, o modelo Glacier Snow Melting (GSM), de nido como um modelo determinístico conceitual, simula a evolução transitória da acumulação de neve em função da temperatura (T ) e a precipitação (P ). A saída deste modelo é levada ao modelo Génie Rural à 3 Paramètres (GR3), que usa a precipitação equivalente (Peq)e a evapotranspiração (ET P ) para produzir uma in ltração (inet)e um uxo base QGR3e por
último as saídas do modelo GR3 é transitada pelo modelo Storn Water Management Model (SWMM) que nalmente produz o escoamento super cial (Qr). O modelo SOCONT (Figuras 4.2 e 4.6) propõe um reservatório linear para a contribuição de neve, outro não linear representando águas subterrâneas e um último reservatório, também não-linear, para o escoamento direto. São 14 parâmetros de calibração que representam este modelo (Tabela 4.2), dos quais 6 correspondem ao modelo GSM, que separa a precipitação líquida da sólida.
Figura 4.2: Modelo SOCONT. Fonte: HERNÁNDEZ et al. (2015).
Hydrologiska Byrans Vattenbalansavdelning (HBV)
O HBV é um modelo determinístico-conceitual que estima o escoamento em uma bacia a partir de dados de precipitação (P ), temperatura (T ) ou evapotranspiração (ET P )diários. Sua representação é feita a partir do modelo GSM e três reservatórios con- gurados por equações lineares e uma função que calculam a umidade, evapotranspiração e o uxo de água subterrânea (Figuras 4.3 e 4.6).
O primeiro reservatório representa a umidade do solo. O segundo reservató- rio, denominado reservatório superior (Upper Reservoir) do solo ou depósito inter uxo, correspondente ao armazenamento superior do solo que produz o uxo de saída ( uxo super cial) (Qr) e o inter uxo (Qt). O terceiro reservatório, também chamado de reser- vatório inferior (Lower Reservoir) do solo ou reservatório de uxo básico, correspondente ao armazenamento inferior do solo e produz o uxo base (Ql).
Tabela 4.2: Lista de parâmetros e condições iniciais para o modelo SOCONT.
Nome Unidade Descrição Intervalo Regular
A m2 Superfície de in ltração >0
Asn mm/◦C/dia Coe ciente de referência degelo grau-dia 0.5 a 20
Asnlnt mm/◦C/dia Intervalo degelo grau-dia 0 a 4
AsnPh d Deslocamento de fase da função sinusoidal 1 a 365 ThetaCri - Conteúdo crítico de água na neve acumulada 0.1 bp d/mm Coe ciente de derretimento devido à precipitação líquida 0.0125 Tcp1 ◦C Temperatura mínima crítica para precipitação líquida 0
Tcp2 ◦C Temperatura máxima crítica para precipitação líquida 4
Tcf ◦C Temperatura crítica da neve 0
HGR3Max m Altura máxima do reservatório de in ltração (In ltration Reservoir) 0 a 2 KGR3 1/s Coe ciente de liberação do reservatório de in ltração (In ltration Reservoir) 0.00025 a 0.1
L m comprimento do plano >0
Jo - Declive do plano >0
Kr m1/3
/s Coe ciente de Strickler 0.1 a 90
Hsnowlni m Altura inicial de neve -
HGR3lni m Nível inicial no reservatório de in ltração (In ltration Reservoir) - Hrlni m Nível de água inicial do escoamento a jusante da superfície - Thetalni - Conteúdo relativo de água inicial no bloco da neve (Snow Pack) -
Fonte: HERNÁNDEZ et al. (2015).
Desta maneira, os reservatórios superior e inferior originam o uxo total (Qt) simulado pelo modelo. São usados um total de 15 parâmetros (Tabela 4.3), dos quais 6 correspondem ao modelo GSM.
Figura 4.3: Modelo HBV. Fonte: HERNÁNDEZ et al. (2015).
Tabela 4.3: Lista de parâmetros e condições iniciais para o modelo HBV.
Nome Unidade Descrição Intervalo Regular
A m2 Superfície da bacia >0
CFMax mm/◦C/dia Coe ciente de degelo 0.5 a 20
CFR - Fator de congelação 0.05
CWH - Conteúdo crítico de água na neve acumulada 0.1 TT ◦C temperatura limite de chuva / mescla de neve 0 a 3 TTInt ◦C Intervalo de temperatura para chuva neve 0 a 3 TTSM ◦C Temperatura limite para derretimento de neve 0
Beta - Coe ciente de forma 1 a 5
FC m Capacidade máxima de armazenamento do solo 0.050 a 0.65 PWP - Ponto de murchamento permanente do solo 0.030 a 1 SUMax - Limite do nível de água do reservatório superior (Upper Reservoir) 0 a 0.10 Kr 1/d Coe ciente de liberação de uxo super cial 0.05 a 0.5 Ku 1/d Coe ciente de liberação de inter uxo 0.01 a 0.4 Kl 1/d Coe ciente de liberação de uxo de base 0 a 0.15 Kperc 1/d Coe ciente de liberação de percolação 0 a 0.8
Hsnowlni m Altura inicial de neve -
WHIni - Conteúdo inicial relativo de água no bloco da neve (Snow Pack) -
HumIni m umidade inicial -
SUIni m Nível inicial da água do reservatório superior (Upper Reservoir) - SLIni m Nível inicial da água do reservatório inferior (Lower Reservoir) -
Fonte: HERNÁNDEZ et al. (2015).
Sacramento Soil Moisture Accounting (SAC-SMA)
O SAC-SMA é um modelo determinístico-conceitual que requer informações de precipitação (Peq) e evapotranspiração (ET P ) média diária para gerar descargas. O modelo requer 17 parâmetros para sua calibração (Tabela 4.4), mesmo sem ter um modelo de neve, tem uma grande capacidade de simular descargas médias diárias. Este grande número de parâmetros exige um conhecimento profundo da bacia que será simulada, com informações sobre cobertura vegetal ou áreas permeáveis e impermeáveis.
O modelo SAC-SMA está estruturado em três reservatórios complexos, todos in uenciados pela evapotranspiração (Figuras 4.4 e 4.6). O primeiro, é dividido em sec- tores permeáveis e impermeáveis que produzem escoamento super cial quando a chuva excede a taxa de in ltração. O segundo reservatório representa o solo chamado também de zona alta (Upper Zone) onde se origina o inter uxo, que pode ser entendida como a transferência de água lateral ao uxo base e ocorre apenas quando se satura a zona superior. O terceiro reservatório representa a zona inferior do solo (Lower Zone) e está ligada aos processos de descargas com resposta lenta. Finalmente, os três reservatórios originam uxo total simulado pelo modelo.
Figura 4.4: Modelo SAC-SMA. Fonte: HERNÁNDEZ et al. (2015).
Tabela 4.4: Lista de parâmetros e condições iniciais para o modelo SAC-SMA.
Nome Unidade Descrição Intervalo Regular
A m2 Superfície da bacia >0
Adimp - Área impermeável adicional (fracção) 0 a 0.2 Pctim - Fração permanente de área impermeável 0 a 0.05
Riva - Fração de cobertura vegetal 0 a 0.2
UztwMax m Capacidade de tensão de água na zona superior (Upper Zone) 0.01 a 0.15 UzfwMax m Capacidade de água livre na zona superior (Upper Zone) 0.005 a 0.10 Uzk 1/dia Taxa de retirada da zona superior (Upper Zone) 0.10 a 0.75 Zperc - Coe ciente de proporção de percolação 10 a 350 Rexp - Parâmetro de forma da curva de percolação 1 a 4 Pfree - Fração de percolação que vai diretamente aos armazenamentos da 0 a 0.6
zona inferior (Lower Zone) de água livre (LZFW)
LztwMax m Capacidade da tensão de água na zona inferior (Lower Zone) 0.05 a 0.40 LzfpMax m Capacidade de água livre primário na zona inferior (Lower Zone) 0.03 a 0.80 LzfsMax m Capacidade de água livre suplementar na zona inferior (Lower Zone) 0.01 a 0.40 Rserv - Fracção da água armazenada na zona inferior não transferível 0 a 1 Lzpk 1/dia Taxa de retirada diária do armazenamento de agua libre 0.001 a 0.03
da zona primaria inferior (LZFP) (Lower Zone)
Lzsk 1/dia Taxa de retirada diária do armazenamento de agua libre suplementar 0.02 a 0.3 da zona inferior ( LZFS) (Lower Zone)
Side - Relação de percolação profunda de armazenamento de agua livre 0 a 0.5 da zona inferior (Lower Zone)
AdimIni m Conteúdo de tensão de água inicial da área de Adimp - UztwIni m Conteúdo de tensão de água inicial na zona superior - UzfwIni m Conteúdo inicial de água livre na zona superior - LztwIni m Conteúdo inicial de tensão de água na zona inferior - LzfpIni m Conteúdo inicial suplementar livre da zona inferior - LzfsIni m Conteúdo inicial primário livre da zona inferior -
Objeto Virtual Station
Existe também um objeto base denominado Estação Climática Virtual ou Virtual Station (Figura 4.6). O objeto está associado às coordenadas X, Y, Z e permite a distribuição espacial das variáveis meteorológicas tais como precipitação, temperatura e evapotranspiração a partir de medidas ou estimativas disponíveis de um banco de dados, com referência espacial em coordenadas métricas. Geralmente, este objeto fornece dados de entrada para os modelos hidrológicos.
Os métodos escolhidos para a distribuição espacial da precipitação, tempe- ratura e evapotranspiração correspondem aos métodos Thiessen e Shepard. O primeiro método, Thiessen, procura a estação meteorológica mais próxima para cada variável me- teorológica. O segundo, Shepard, procura as estações i que estejam em um raio de busca e calcula a variável meteorológica dependendo da ponderação da distância. Na Tabela 4.5, mostram-se os parâmetros e condições iniciais para o objeto Virtual Station.
Tabela 4.5: Lista de parâmetros e condições iniciais para o objeto Virtual Station.
Nome Unidade Descrição Intervalo Regular
X, Y, Z - Coordenadas da estação virtual -
Raio de busca m Raio de busca das estações virtuais >0 No. mim. Est. - Número mínimo de estacoes utilizados para interpolação ≥1
Gradient P m/s/m Gradiente de precipitação -
Gradient T ◦C/m Gradiente de temperatura -0.007 to - 0.004
Gradient ETP m/s/m Gradiente de evapotranspiração - Coe P - Coe ciente de correção de precipitação 0.5 a 2 Coe T ◦C Coe ciente de correção de temperatura -2 a 2
Coe ETP - Coe ciente de correção de evapotranspiração 0.5 a 2 Fonte: HERNÁNDEZ et al. (2015).