VALIDAÇÃO DE UM MODELO HIDROLÓGICO REGIONAL PARA GRANDES BACIAS NO ESTADO DO CEARÁ
Chrythyane T. de M. Santiago 1; Alexandre C. Costa 1*; Till Francke 2; Andreas Güntner 3; Axel Bronstert 2 & Eduardo S. P. R. Martins 4
Resumo – Modelagem chuva-deflúvio em bacias não-monitoradas é fundamental para projetos de engenharia, sistemas de previsão e gerenciamento de recursos hídricos. Neste trabalho, avaliou-se o desempenho da calibração regional de um modelo hidrológico semi-distribuído para nove estações fluviométricas independentes do processo de calibração. As estações drenam regiões com características hidráulicas, geoambientais e hidroclimáticas diferentes no Estado do Ceará, com áreas variando de 1.460 a 39.600 km2. A regionalização apresentou um bom desempenho em oito estações, considerando um Nash-Sutcliffe (NS) acima de 0,60 como razoável para a simulação mensal do escoamento em áreas não-monitoradas. A avaliação mostrou que os maiores erros produzidos pela regionalização foram concentrados nos anos mais chuvosos das três décadas simuladas (1980-2010): 1985, 2004 e 2009. Esse padrão dos erros será investigado em trabalhos futuros.
Palavras-Chave – Calibração Regional; PUB; Modelo WASA-SED.
VALIDATION OF A LARGE-SCALE REGIONAL HYDROLOGICAL MODEL IN THE STATE OF CEARÁ
Abstract – Rainfall-runoff modelling of ungauged catchments is pivotal for design applications, forecasting applications and catchment management. In this study, we aim to evaluate the performance of a regional calibration approach applied to a semi-distributed hydrological model, taking into account nine streamgauges, which were not used for the calibration process. These gauges drain regions with quite different hydraulic, geoenvironmental and hydroclimatic patterns in the State of Ceará. The regionalization presented a good performance for eight streamgauges, considering a Nash-Sutcliffe coefficient greater than 0.60 reasonable for predicting monthly flows in ungauged dryland basins. Also, the main errors of regionalization were concentrated on the rainiest years (1985, 2004 and 2009) of simulation period (1980-2010). This pattern of errors will be researched in future work.
Keywords – Regional Calibration; PUB; WASA-SED Model.
1 Universidade da Integração Internacional da Lusofonia Afro-Brasileira, Rodovia CE 060 km 51, CEP: 62785-000, Acarape, CE, Brasil, chrys,tham@gmail,com, cunhacos@unilab,edu,br.
2 University of Potsdam, Karl-Liebknecht-Str, 24/25, 14476 Potsdam, Alemanha, francke@uni-potsdam,de, bronstert@uni-potsdam,de.
3 Helmholtz Centre Potsdam, German Research Centre for Geosciences, Telegrafenberg, 14473 Potsdam, Alemanha, guentner@gfz-potsdam,de.
4 Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos, Av, Rui Barbosa 1246, CEP: 60115-221, Fortaleza, CE, Brasil, espr,martins@gmail,com,
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INTRODUÇÃO E OBJETIVOS
Modelagem chuva-deflúvio em bacias hidrográficas não-monitoradas é fundamental para projetos de engenharia (vertedouros, pontes e canais), sistemas de previsão (alerta contra enchentes e operação de hidrelétricas) e gerenciamento de recursos hídricos (alocação de águas e estudos de impacto de mudanças climáticas) [Parajka et al. (2007)]. A estimativa da dinâmica ou da estatística de processos hidrológicos em bacias não-monitoradas envolve a aplicação de técnicas de regionalização, que transferem parâmetros calibrados em bacias monitoradas para sistemas não monitorados. Para tanto, três tipos de métodos são normalmente utilizados: regressão (estimativa de parâmetros a partir de relações com características físicas e climáticas de bacias), vizinhos mais próximos (transferência de parâmetros de bacias similares mais próximas no espaço) e geoestatística (interpolação espacial dos parâmetros). O principal desafio para a aplicação desses métodos é a disponibilidade de dados de deflúvio para a calibração dos parâmetros de modelos hidrológicos [Parajka et al. (2007)].
Em regiões pobres de dados de deflúvio, como o Nordeste Brasileiro (NEB), os métodos tradicionais de regionalização supracitados se tornam impraticáveis devido à exigência de uma grande quantidade de bacias monitoradas. Neste contexto, a modelagem hidrológica orientada a processos e (semi-)distribuída é, provavelmente, a mais adequada ferramenta para compor uma estratégia de estimativa do deflúvio em bacias não-monitoradas [e.g. Lange et al. (1999); Gheith e Sultan (2002); Costa et al. (2012)]. Andersen et al. (2001), Drogue et al. (2002) e Moussa et al.
(2007) reportaram as primeiras tentativas de regionalização de modelos hidrológicos (semi- )distribuídos em regiões escassas de séries de deflúvio. Entretanto, Moussa et al. (2007) apontam que avanços são necessários para que as estratégias aplicadas até então devam ser usadas como métodos de regionalização.
Costa et al. (2013) e Costa et al. (2014) usaram a calibração regional de um modelo hidrológico semi-distribuído como estratégia de regionalização hidrológica para bacias de grande e médio porte do Estado do Ceará. A vantagem desse procedimento é que evita a necessidade de métodos complementares e de uma grande quantidade de dados de deflúvio, que é uma dificuldade fundamental para a regionalização no NEB. O objetivo deste trabalho é validar o modelo hidrológico regional produzido em Costa et al. (2013) e Costa et al. (2014) para estações fluviométricas que não foram utilizadas no processo de calibração regional.
MÉTODOS
O Modelo Hidrológico Semi-Distribuído
O modelo escolhido para a calibração regional foi o WASA-SED [Güntner e Bronstert (2004); Mueller et al. (2010)], que foi desenvolvido especialmente para a simulação da hidrologia em regiões de clima seco e vem sendo utilizado em diversos projetos científicos conduzidos na área de estudo [Medeiros et al. (2010); Lima Neto et al. (2011); Malveira et al. (2012); Bronstert et al.
(2014)]. O modelo WASA foi inicialmente desenvolvido com o objetivo de estudos do balanço hídrico de longo-prazo em bacias hidrográficas de grande porte em ambientes semiáridos e dos efeitos das mudanças climáticas globais na disponibilidade hídrica, considerando uma formulação orientada a processos e semi-distribuída [Güntner e Bronstert (2004)]. Recentemente, erosão,
transporte de sedimentos e processos de retenção foram implementados na modelagem, transformando-o em WASA-SED [Mueller et al. (2010); Bronstert et al. (2014)]. Estudos focados tanto em água como em sedimentos já foram realizados, também, em bacias hidrográficas de médio porte [Medeiros et al. (2010)].
A estrutura do modelo WASA-SED é inovadora, pois conecta os processos hidrológicos de acordo com a sua ocorrência predominante na escala espacial, começando por bacias hidrográficas, passando por componentes de relevo e terminando com perfis de solo em unidades solo-vegetação.
Dado essa concepção semi-distribuída, as suas unidades espaciais são facilmente adaptáveis em relação à disponibilidade e resolução espacial dos dados geoambientais e hidrometeorológicos.
Além de considerar explicitamente a influência do mosaico das combinações de tipo e ocupação do solo nos processos hidrológicos de diferentes paisagens, ele possui um outro aspecto muito relevante para o Semiárido Nordestino, que é a avaliação do impacto da grande e da pequena açudagem na geração dos escoamentos superficiais na escala de bacia hidrográfica. Dessa forma, os efeitos da açudagem nas séries de descargas fluviais podem ser estimadas com o modelo WASA- SED [Malveira et al. (2012)]. O cálculo da cascata de pequenos reservatórios foi apresentado pela primeira vez por Güntner et al. (2004) e aperfeiçoado continuamente durante os projetos de pesquisa SESAM I e II (http://brandenburg.geoecology.uni-potsdam.de/projekte/sesam/).
Séries Hidrometeorológicas
Todas as bacias hidrográficas, que são consideradas como unidades de gestão dos recursos hídricos do Estado do Ceará, 148.000 km2, foram levadas em conta na calibração regional e a sua validação (Figura 1). Elas são ao todo 12 bacias hidrográficas. Critérios de seleção das estações para a calibração regional podem ser encontradas em Costa et al. (2013). As estações para validação drenam regiões com características hidráulicas, geoambientais e hidroclimáticas diferentes no Estado do Ceará, com áreas variando de 1.460 a 39.600 km2.
Figura 1 – Distribuição das unidades de gestão dos recursos hídricos do Estado do Ceará e das estações fluviométricas, que foram selecionadas para o presente trabalho.
Os dados das estações fluviométricas foram disponibilizados pela Agência Nacional das Águas (ANA) a partir do sistema Hidroweb (BRASIL 2013). Essas estações vêm sendo monitoradas pelo Serviço Geológico do Brasil (CPRM). Já os dados meteorológicos foram disponibilizados pela Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos (FUNCEME).
Calibração Regional e Validação
Na calibração regional, os parâmetros de um modelo de um certo número de bacias são calibrados simultaneamente (Parajka et al. 2007). Como esses parâmetros são relacionados com as características das unidades do modelo adotado, os parâmetros podem ser transferidos diretamente para áreas não-monitoradas (Engeland et al. 2006). Dessa forma, depois da calibração regional, os parâmetros serão idênticos para todas as bacias em estudo. Detalhes sobre o processo de parametrização, calibração regional e análise de incertezas do modelo WASA-SED podem ser encontradas em Costa et al. (2013) e Costa et al. (2014).
A calibração regional produziu 1.855 soluções aceitáveis de conjuntos de parâmetros, a partir de treza estações fluviométricas (Figura 1) no período de 2000-2010. A mediana do coeficiente de Nash-Sutcliffe dessas soluções foi 0,80 para essas estações [Costa et al. (2014)]. A validação da vazão mensal foi realizada para as nove estações fluviométricas, que não foram utilizadas no processo de calibração (Figura 1), e baseada em todas as soluções da calibração regional.
Análise de Desempenho
A comparação da simulação do escoamento mensal com os dados observados foi realizada de duas formas: 1.) uma análise estatística geral baseada no cálculo do coeficiente de Nash- Sutcliffe; e 2.) uma avaliação visual dos hidrogramas simulados e os dados observados. Os primeiros cinco anos da simulação de 1980-2010 foram descartados na comparação por causa do esquentamento do modelo. O coeficiente de Nash-Sutcliffe foi calculado também de duas formas:
1.) considerando a mediana das soluções aceitáveis como preditor; e 2.) considerando o intervalo entre Q10 e Q90 como preditor, sendo que Q10 indica o 10o percentil e Q90 o 90o percentil das soluções aceitáveis. Caso o dado observado estiver no intervalo [Q10; Q90], o erro entre simulado e observado é assumido como nulo. Caso o dado observado estiver abaixo de Q10 ou acima de Q90, o erro é a diferença entre Q10 e observado ou Q90 e observado, respectivamente.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Em geral, considerando um Nash-Sutcliffe (NS) acima de 0,60 como razoável para a simulação mensal do escoamento em áreas não-monitoradas, a calibração regional do modelo WASA-SED apresentou bons resultados (ver Tabela 1). Apenas a estação fluviométrica 35900000 apresentou NS bem abaixo de 0,60 e outras duas, 35240000 e 36386000, com valores um pouco abaixo de 0,60 para NSMediana.
A regionalização produziu valores similares de NSMediana (em torno de 0,60) para as estações fluviométricas 35205000, 35950000 e 36386000, entretanto, um análise visual dos hidrogramas simulados e os dados observados mostra que por razões diferentes. A estação 35205000 está localizada na região norte do Estado, controlando uma área de 1.460 km2 do Rio Pesqueiro. A estação 35950000 controla uma área de 2.040 km2 do Rio Pirangi na região da chamada bacia metropolitana. A estação 36386000 controla uma área de 2.150 km2 do Rio Figueiredo, afluente do Rio Jaguaribe. Todas não possuem nenhuma estação do processo de calibração à montante (Figura 1). Em relação à estação 35205000, os erros foram originários de subestimativa nos anos 2000, 2003 e 2009 (período de avaliação de 2000-2010); para a estação 35950000, principalmente de subestimativa nos dois primeiros de avaliação após o período de esquentamento (1985 e 1986) (período de avaliação de 1985-2010); e para a estação 36386000, de subestimativa no ano 2009 (período de avaliação de 1999-2010). Como exemplo, na Figura 2 são apresentados o hidrograma simulado e observado da estação fluviométrica 35950000.
Tabela 1 – Coeficientes de Nash-Sutcliffe das séries de vazões mensais das estações fluviométricas utilizadas para validação da calibração regional do modelo WASA-SED para o Estado do Ceará. NSMediana indica a mediana das soluções aceitáveis da calibração como preditor e NSQ10-Q90 o intervalo [Q10; Q90] como preditor (detalhes descritos na seção Métodos).
Estação
Fluviométrica NSMediana NSQ10-Q90
35205000 0,62 0,66
35570000 0,75 0,89
35240000 0,53 0,64
35900000 0,34 0,41
35950000 0,60 0,70
36386000 0,58 0,69
36320000 0,79 0,87
36260000 0,85 0,94
36070000 0,66 0,88
Mediana 0,62 0,70
A regionalização obteve os maiores valores de NS para as estações fluviométricas 35570000, 36320000 e 36260000. A estação 35570000 está localizada na região norte do Estado, controlando uma área de 7.330 km2 do Rio Curu e não possui nenhuma estação do processo de calibração à montante. A estação 36320000 controla uma área de 39.600 km2 do Rio Jaguaribe, possuindo à montante boa parte dos pequenos e estratégicos reservatórios do Estado, incluindo o Açude Orós, e seis estações da calibração. A estação 36260000 controla uma área de 6.940 km2 do Rio Salgado, afluente do Rio Jaguaribe, e possui à montante duas estações da calibração. Em relação às estações 35570000 e 36320000, os erros foram originários principalmente de subestimativa nos dois primeiros anos de avaliação após o período de esquentamento (1985 e 1986) (1985-2010 de avaliação) e de uma certa subestimativa do ano de 2009 para a última; e para a estação 36260000, de subestimativa nos anos 2000 e 2006 (1999-2010 de avaliação). Como exemplo, na Figura 3 são apresentados o hidrograma simulado e observado da estação fluviométrica 36320000.
Já para estação 36070000, a regionalização teve um desempenho intermediário em relação aos dois grupos supracitados. A estação está localizada na região centro-sul do Estado, controlando uma
área de 13.700 km2 do Rio Jaguaribe, que drena uma das regiões mais secas do Semiárido do NEB, e não possui nenhuma estação do processo de calibração à montante. Para esta estação, houve superestimativa no ano de 2004 (1999-2010 de avaliação).
Como esperado, para estações fluviométricas com bacias hidrográficas maiores e/ou com a presença de estações do processo de calibração à montante, os resultados da regionalização foram superiores. A ocorrência de subestimativa superou a de superestimativa em quase todas as situações, sendo os desvios mais severos nos anos mais chuvosos das três décadas simuladas (2009, 2004 e 1985). Entretanto, os desvios do ano de 1985 podem ter tido influência também do período de aquecimento do modelo (1980-1984).
Figura 2 – Simulação do hidrograma mensal da estação fluviométrica 35950000 (Rio Pirangi, Área de Drenagem de 2.040 km2). Explicação dos elementos da legenda no texto (ver detalhes em Métodos).
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Jan/85 Abr/86 Jul/87 Out/88 Jan/90 Abr/91 Jul/92 Out/93 Jan/95 Abr/96 Jul/97 Out/98 Jan/00 Abr/01 Jul/02 Out/03 Jan/05 Abr/06 Jul/07 Out/08 Jan/10
Vazão (m3/s) Qobs
Qmed Q10 Q90
Figura 3 – Simulação do hidrograma mensal da estação fluviométrica 36320000 (Rio Jaguaribe, Área de Drenagem de 39.600 km2). Explicação dos elementos da legenda no texto (ver detalhes em Métodos).
CONCLUSÃO
Neste trabalho, a calibração regional do modelo WASA-SED para o Estado do Ceará foi avaliada para estações fluviométricas independentes do processo de calibração, num total de nove estações. A regionalização mostrou um bom desempenho para oito estações (Nash-Sutcliffe acima de 0,60). O aumento da área de drenagem e a presença de estações do processo de calibração à montante influenciaram positivamente no desempenho da regionalização, como esperado. Também, a avaliação mostrou que os maiores erros da regionalização foram concentrados nos anos extremamente chuvosos, como 1985, 2004 e 2009. As razões para isso deverão ser objeto de investigações futuras.
AGRADECIMENTOS
Os Autores agradecem à Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos e à Companhia de Gestão de Recursos Hídricos do Estado do Ceará pelo suporte à pesquisa, e à ANA e ao INMET pela disponibilidade dos dados. O segundo e o quarto Autores agradecem ao CNPq pelo financiamento da pesquisa Edital MCTI/CNPQ/Universal 14/2014 No. 442591/2014-4.
REFERÊNCIAS
ANDERSEN, J.; REFSGAARD, J.C.; JENSEN, K.H. (2001). Distributed hydrological modelling of the Senegal River Basin – model cosntruction and validation. Journal of Hydrology 247, pp. 200–214.
BRASIL. Agência Nacional de Águas. Hidroweb: Sistema de informações hidrológicas.
Disponível em: www.hidroweb.ana.gov.br. Acesso em: 29 mai. 2013.
0 500 1000 1500 2000 2500
Jan/85 Mar/86 Mai/87 Jul/88 Set/89 Nov/90 Jan/92 Mar/93 Mai/94 Jul/95 Set/96 Nov/97 Jan/99 Mar/00 Mai/01 Jul/02 Set/03 Nov/04 Jan/06 Mar/07 Mai/08 Jul/09 Set/10
Vazão (m3/s) Qobs
Qmed Q10 Q90
COSTA, A.C.; BRONSTERT, A.; DE ARAÚJO, J.C. (2012) A channel transmission losses model for different dryland rivers. Hydrology and Earth System Sciences 16, pp. 1111–1135.
COSTA, A.C.; MARTINS, E.S.P.R.; BARROS, F.V.F.; BRONSTERT, A.; FRANCKE, T.;
GÜNTNER, A. (2013). Regionalização de Modelagem Hidrológica Semidistribuída para todo Estado do Ceará. In Anais do XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, São Paulo, Nov. 2013.
COSTA, A.C.; FRANCKE, T.; GÜNTNER, A.; BRONSTERT, A.; MARTINS, E.S.P.R.
(2014). Análise de Desempenho e de Incertezas da Calibração Regional de um Modelo Hidrológico Semidistribuído. In Anais do XII Simpósio de Recursos Hídricos do Nordeste, São Paulo, Nov.
2014.
DROGUE, G.; LEVIANDER, T.; PFISTER, L.; EL-IDRISSI, A.; IFFLY, J.F.; HOFFMAN, L.; GUEX, F.; HINGRAY, B.; HUMBERT, J. (2002). The applicability of a parsimonious model for local and regional prediction of runoff. Hydrological Sciences Journal 47, pp. 905–920.
ENGELAND, K.; BRAUD, I.; GOTTSCHALK, L.; LEBLOIS, E. (2006). Multi-objective regional modelling. Journal of Hydrology 327, pp. 339–351.
GHEITH, H.; SULTAN, M. (2002) Construction of a hydrology model for estimating wadi runoff and groundwater recharge in the Eastern Desert, Egypt. Journal of Hydrology 263, pp. 36–
55.
GÜNTNER, A.; BRONSTERT, A. (2004). Representation of landscape variability and lateral redistribution processes for large-scale hydrological modelling in semi-arid áreas. Journal of Hydrology 297, pp. 136–161.
LANGE, J.; LEIBUNDGUT, C.; GREENBAUM, N.; SCHICK, A.P. (1999). A noncalibrated rainfall-runoff model for large, arid catchments. Water Resources Research 35, pp. 2161–2173.
LIMA NETO, I.E.; WIEGAND, M.C.; DE ARAÚJO, J.C. (2011). Sediment redistribution due to a dense reservoir network in a large semi-arid Brazilian basin. Hydrological Sciences Journal 56, pp. 319–333.
MALVEIRA, V.T.C.; DE ARAÚJO, J.C.; GÜNTNER, A. (2012). Hydrological impact of a high-density reservoir network in the semiarid north-eastern Brazil. Journal of Hydrologic Engineering 17, pp. 109–117.
MEDEIROS, P.H.A.; GÜNTNER, A.; FRANCKE, T.; MAMEDE, G.; DE ARAÚJO, J.C.
(2010). Modelling spatio-temporal patterns of sediment yield and connectivity in a semi-arid catchment with the WASA-SED model. Hydrological Sciences Journal 55, pp. 636–648.
MOUSSA, R.; CHAHINIAN, N.; BOCQUILLON, C. (2007). Distributed hydrological modelling of a Mediterranean mountainous catchment – Model construction and multi-site validation. Journal of Hydrology 337, pp. 35–51.
MUELLER, E.N.; GÜNTNER, A.; FRANCKE, T.; MAMEDE, G. (2010). Modelling sediment export, retention and reservoir sedimentation in drylands with the WASA-SED model.
Geoscientific Model Development 3, pp. 275–291.
PARAJKA, J.; BLÖSCHL, G.; MERZ, R. (2007). Regional calibration of catchment models:
Potential for ungauged catchments. Water Resources Research 43, W06406, doi:10.1029/2006WR005271.
