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PC Raster - Modelagem DinâmicaModelagem DinâmicaModelagem DinâmicaModelagem Dinâmica Tutorial Tutorial Tutorial Tutorial Introdução: Introdução: Introdução: Introdução:
PCRaster foi desenvolvido pela Utrecht University (Holanda) e inclui funcionalidades de modelagem dinâmica e cartográfica em um GIS, além de um módulo para modelagem geo-estatística (GSTAT) e um módulo para cálculo da propagação de erro (ADAM).
Considerações iniciais: Considerações iniciais: Considerações iniciais: Considerações iniciais:
Um programa PCRaster (arquivos .mod) é organizado em cinco seções: binding... onde são definidas as ligações entre as variáveis e os arquivos
areamap ... todos os mapas utilizados em um modelo (programa) devem ter o mesmo tamanho, localização geográfica e resolução. Nesta seção, é fornecido um mapa que informa ao PCRaster sobre estes atributos dos mapas no modelo.
timer ... define o domínio de tempo do modelo. Contém uma declaração que fornece os tempos, no ínicio e final da execução do modelo, bem como o intervalo ou passo em que este tempo deve variar ao longo da execução do modelo
initial... Esta seção é utilizada para inicializar as variáveis do programa antes da primeira execução da seção dynamic.
dynamic ... é a parte principal de um programa PCRaster. Descreve as mudanças temporais da variáveis ou mapas do modelo. A principal característica desta seção é ser iterativa, isto é, é repetida, do início ao final, para todo o intervalo de tempo definido na seção timer.
Para executar um programa PCRaster utilize o comando pcrcalc, com a seguinte sintaxe:
pcrcalc –f nome_programa.mod
Um comando muito utilizado no PCRaster é o display, ele é utilizado para exibir mapas em diferentes modos, como por exemplo:
-v ... utiliza o maior modo de vídeo (1024 x 768)
-a ... animação. Mantém apenas o último mapa após a animação -A ... animação. Mantém todos os maps após a animação -r nroSec ... espera o tempo de nroSec entre cada animação
outros modos podem ser especificados, para saber quais são estes outros modos digite simplesmente, display no prompt do DOS.
Num programa PCRaster comentários devem ser precedidos pelo símbolo # e as declarações devem ser sempre finalizadas por ;
Exercício
Exercício
Exercício
Exercício
O objetivo deste exercício é mostrar como construir um modelo dinâmico e como utilizar as funções do PCRaster mais aplicadas a este modelo. Para isto, será desenvolvido um modelo dinâmico para simular o escoamento de água de chuva em uma bacia. Parte dos arquivos necessários para a realização deste exercício estão disponíveis no arquivo pcrdyn.zip, dentro da pasta wbalance.
1.1 1.1 1.1
1.1 PreciptaçãoPreciptaçãoPreciptaçãoPreciptação
O primeiro modelo simula a quantidade de chuva em uma área de estudo. As medidas de chuva são fornecidas mensalmente e o programa PCRaster para este modelo está armazenado no arquivo rain.mod.
Instruções:
• Exiba o programa rain.mod.
Digite o comando DOS: typerain.mod ou abra o arquivo no editor do DOS ( editrain.mod )
• Exiba o mapa rainarea.map.
display rainarea.map
• Os índices pluviométricos são fornecidos pelo arquivo rain12.tss. Exiba este arquivo:
type rain12.tss
Os arquivos .tss são chamados arquivos de séries de tempo (time series files) e possuem seguinte formato:
1a
linha : comentário 2a
linha: número de colunas 3a
linha (até 3+número colunas): descrição das n colunas do arquivo
Observe que este modelo apresenta duas classes (1 e 2) para as quais são fornecidos índices pluviométricos. Observe, também, que é utilizado o ano hidrológico (hydrologic). Desta forma, o mês 1 corresponde a novembro e o mês 12 a outubro. O número dos meses aparece na primeira coluna da tabela deste arquivo. Na segunda coluna aparece a quantidade de chuva para áreas da classe 1 e na terceira coluna para áreas da classe 2.
• Execute o programa rain.mod
pcrcalc –f rain.mod
• Exiba os mapas gerados
display rain0000.0* 1
1.2 1.2 1.2
1.2 Preciptação TotalPreciptação TotalPreciptação TotalPreciptação Total
Agora, o modelo rain.mod será estendido pela adição de declarações que calculam, para cada intervalo de tempo, o volume total de chuva na área de estudo em m3
/s. Instruções:
• Copie o arquivo rain.mod em volrain.mod, através do seguinte comando DOS:
copy rain.mod volrain.mod
edit volrain.mod
• Adicione as seguintes linhas ao final da dynamic section deste programa:
# total volume preciptation over study area, metres3/second report VolumePrecip=maptotal(Precip)*(cellarea()/2628);
onde 1/2628 é o fator de conversão da área celular (Km2
) e Precip(mm/month) para m3
/s A mesma operação poderia ser escrita da seguinte forma:
maptotal(Precip)/1000 (mm -> m) * cellarea() * 1000000 (Km2
-> m2
) 365/12 dias* 24 horas * 60 minutos * 60 segundos
Nesta instrução a operação maptotal calcula a soma dos valores das células em Precip. Esta soma é multiplicada pela área de uma célula do mapa (cellARea()) e dividida pelo fator de conversão para m3
/s. A palavra reservada report determina que o resultado da operação seja armazenado no banco de dados
• Ao final da seção binding insira a linha:
VolumePrecip=volrain.tss; #reported timeseries
Esta instrução determina que a variável VolumePrecip seja armazenada no arquivo volrain.tss
• Execute o programa volrain.mod:
pcrcalc –f volrain.mod
• Confira o arquivo gerado por este modelo:
type volrain.tss
1.3 Evapo-transpiração (evapotranspiration) 1.3 Evapo-transpiração (evapotranspiration) 1.3 Evapo-transpiração (evapotranspiration) 1.3 Evapo-transpiração (evapotranspiration)
Para calcular a precipitação efetiva, a evapo-transpiração deve ser incluída no modelo. Para isto, assuma que as condições do solo (soilmoisture) não influenciam na taxa de evapo-transpiração. Desta forma, a evaporação para um mês (Evap, mm/mês) é calculada por:
Evap=K * EvapRef
onde: EvapRef é uma referência , um padrão da superfície do solo durante o mês em questão. Existe um valor diferente para cada mês e para cada classe de uso do solo.
K é um coeficiente constante no tempo. Seu valor é determinado a partir de dois arquivos: a Crcoefa.tbl e landuse.map. Landuse.map contém as classes que representam os vários tipos de uso do solo no mapa. O arquivo Crcoefa.tbl é uma tabela que contém o valor dos coeficientes para os tipo de uso do solo. Dê uma olhada neste arquivo.
Instruções:
• Execute o programa evapotr.mod
• Exiba o mapa cropcoef.map
display cropcoef.map
• Exiba os mapas de evapo-transpiração
display –r1 Evap0000.0*
• A precipitação excedente (mm/mês) é calculada por:
PrecipSurplus=Precip-Evap;
Copie o arquivo evapotr.mod no arquivo rainsur.mod e adicione neste arquivo a instrução acima precedida pela palavra report na seção dynamic, para que a precipitação excedente para cada mês seja calculada. Providencie para que este mapa seja gravado com o nome de rainsur. Para isto, inclua na seção binding a declaração:
PrecipSurplus = rainsur;
• Execute o programa raisur.mod e exiba os resultados.
pcrcalc –f rainsur.mod display rainsur0.0*
1.4 1.4 1.4
1.4 Equilíbrio de água no soloEquilíbrio de água no soloEquilíbrio de água no soloEquilíbrio de água no solo
Agora, o modelo construído no exercício anterior será ampliado para suportar o armazenamento de água no solo. Quando existir precipitação excedente positiva em um mês, esta precipitação será adicionada ao solo. Se a quantidade máxima de água no solo for atingida, a parte restante do excedente não será mais adicionada no solo. Esta quantidade é chamada água excedente no solo e será escoada para o subsolo. Quando a precipitação excedente for negativa, a quantidade de água no solo será subtraída, em valores absolutos, pela precipitação excedente naquele mês.
O arquivo soilwate.mod contém uma extensão do programa do exercício anterior. Neste arquivo, existe uma declaração na binding section que atribui um conteúdo inicial a soilwater. Este conteúdo vem do arquivo initsw.map. Além desta, outra declaração foi acrescentada à dynamic section: SoilWater=min(Soilwater,MaxSoilwater); Nesta declaração, o valor mínimo dos mapas Soilwater e MaxSoilwater é atribuído a Soilwater, numa operação pontual (célula por célula).
• Execute o programa soilwate.mod e exiba os mapas obtidos
pcrcalc –f soilwate.mod display soilwate.0*
• Crie um novo programa chamado Soilsurp.mod. Este programa deve ter o mesmo conteúdo de soilwate.mod, mais a instrução abaixo (dynamic section)
report SoilwaterSurplus=max(MaxSoilwater-Soilwater,0);
Além disto, inclua na binding section a declaração:
SoilwaterSurplus=soilsurp;
• Execute o programa soilwate.mod e exiba alguns resultados.
pcrcalc –f soilsurp.mod display soilsurp.0*
1.5 1.5 1.5
1.5 Fluxo do excesso de água no soloFluxo do excesso de água no soloFluxo do excesso de água no soloFluxo do excesso de água no solo
Neste exercício, o modelo é estendido para modelar o escoamento de água na área em estudo. Isto é feito com o mapa de direção de drenagem local (local drain direction map –ldd). Este mapa é construído com base em um modelo numérico de terreno.
• Exiba o mapa ldd.map
display ldd.map
Para cada célula da área em estudo, existe um valor que representa a direção do fluxo de uma célula para suas vizinhas. Clique em algumas das linhas deste mapa e verifique o valor delas. • A função accuflux pode ser utilizada para modelar o transporte de água através de um mapa ldd.
Sua sintaxe é: Resultfluxmap = accuflux(lddmap, materialmap); onde: lddmap é uma mapa local drain direction
materialmap é um mapa do material a ser transportado Resultfluxmap é o mapa resultante
• O programa dischar.mod contém a função accuflux necessária para calcular o escoamento na área de estudo. Dê uma olhada neste arquivo e depois execute-o . Exiba alguns resultados.
display –r1 dis00000.0*
• O arquivo dismea12.tss contém dados hidrológicos de 1993. Exiba o conteúdo deste arquivo :
type dismea12.tss
Estes dados podem ser usados para verificar se o modelo dischar.mod forneceu uma estimativa satisfatória do escoamento das células sobrecarregadas. O escoamento das células sobrecarregadas é armazenado no Banco de Dados com a declaração:
report DischargeTSS=timeoutput(outflpoi.map,Discharge);
A função timeoutput testa para cada valor não zero no mapa de entrada outflpoi.map a entrada do mapa Discharge e escreve o valor testado para uma série de tempo.
• Exiba o arquivo outflpoi.map
display outflpoi.map
• Crie o programa Dischar2.mod , acrescentando ao Dischar.mod a declaração dada acima. Na binding section ligue DischargeTSS ao arquivo dismod12.tss. Execute o novo programa
• Compare dismea12.tss com dismod12.tss usando a função timeplot:
timeplot dismea12.tss dismod12.tss
1.6 1.6 1.6
1.6 Equilíbrio da Água SubterrâneaEquilíbrio da Água SubterrâneaEquilíbrio da Água SubterrâneaEquilíbrio da Água Subterrânea
No exercício anterior foi visto que a suposição de que toda a água excedente do solo em um mês flui para o ponto de escoamento (outflow) daquele mês não é correto. Esta suposição resulta em uma superestimação do escoamento no inverno e subestimação no verão. Para superar esta deficiência do modelo, assuma que a água excedente é separada em uma parte que escoa no mesmo mês para o ponto de escoamento e outra parte que infiltra. Assuma que 20% da água excedente em um mês flui para o ponto de escoamento. Esta parte é chamada Escoamento Rápido. A parte restante (80%), que infiltra é chamada percolação.
WaterSurplus=RapidRunoff+Percolation (mm/mês) RapidRunoff = 0.2 * WaterSurplus (mm/mês)
Percolation = 0.8 * WaterSurplus (mm/mês)
Todo mês, uma parte da água subterrânea vai para o ponto de escoamento. Esta parte é chamada escoamento retardado e provoca uma diminuição da quantidade da água armazenada no solo. DelayedRunOff=Groundwater/c
onde c é um parâmetro de recessão, dependente das propriedades geo-hidrológicas da bacia. • Edite o arquivo ground.mod (edit ground.mod)
• Faça as seguintes alterações:
na dynamic section inclua as seguintes declarações:
Groundwater=Groundwater+Percolation; DelayedRunOff=Groundwater/c;
report Groundwater=Groundwater-DelayedRunOff;
na initial section inclua a declaração:
Groundwater=InitGroundwater;
na binding section inclua a instrução:
InitGroundwater=initgw.map;
c=7; #valor do parametro de recessao Groundwater=groundwa;
• Grave o programa com o nome de ground2.mod • Execute o programa:
pcrcalc –f ground2.mod
• Exiba os resultados:
