INTEGRAÇÃO DO MODELO HIDROLÓGICO NGFLOW NO SISTEMA
INTEGRADO DE MONITORAMENTO AMBIENTAL DA BACIA DO RIO
CUIABÁ - SIBAC
Ivairton Monteiro Santos*, Peter Zeilhofer * Graduando em Ciência de Computação Universidade Federal de Mato Grosso - UFMT
Av. Fernando Corrêa da Costa, s/n CEP 78.060-090, Cuiabá-MT, Brasil
Telefone: 65 – 615-8721
E-mail: ivairton@yahoo.com.br, pitalike@terra.com.br Palavras-chave: SIG, Modelação hidrológica
RESUMO
NGFlow é um modelo hidrológico do tipo “Chuva – Vazão”, inicialmente desenvolvido por Ye & Maidement (1998) para simulação do escoamento dos rios da bacia do rio Niger, África. O modelo é baseado nos conceitos de Sistemas de Informação Geográfica - SIGs, implementado com base no software ArcView 3.2 (ESRI) e escrito em linguagem proprietária Avenue (ESRI). Este trabalho se propôs a analisar os conceitos hidrológicos e estruturas computacionais do modelo NGFlow e validar sua aplicabilidade na bacia do rio Cuiabá (MT), além de integra-lo no ambiente SIG/Banco de Dados (BD) do Sistema Integrado de Monitoramento Ambiental da Bacia do rio Cuiabá – SIBAC [1].
As informações necessárias para a alimentação inicial do modelo, séries temporais de precipitação e vazão, foram extraídas do componente de BD de SIBAC e, em seguida, pré-processadas e formatadas para serem aplicadas ao modelo NGFlow-SIBAC. A extração dos elementos fisiográficos (divisão das sub-bacias, rede hidrográfica etc.) da bacia e suas características (comprimento, declive dos trechos etc.) foi realizada a partir do Modelo Numérico de Terreno (MNT) da bacia do rio Cuiabá. Foram adaptados scripts (código de programação) na linguagem Avenue (ESRI) pertencentes ao modelo NGFlow para garantir sua interoperabilidade com o BD de SIBAC e os dados espaciais da bacia local. Também foram desenvolvidos novos scripts, para aumentar a eficiência da integração do modelo e facilitar a operação do sistema.
Tornou-se possível a modelação da vazão mensal dos principais rios da bacia em função da distribuição espacial das chuvas, das características fisiográficas da rede hidrográfica e sub-bacias, considerando também a operação de barragens no percurso do leito. A integração realizada permite a imediata aplicação do modelo em outras bacias hidrográficas, com todo processo dirigido por interfaces e sem necessidade de um conhecimento aprofundado do software ArcView (ESRI).
ABSTRACT
NGFlow is a precipitation-runoff model, initially developed by Ye et al. (1996) for simulations of river runoff in the Niger watershed, Africa. The SIG-based model is implemented in an ArcView (ESRI) environment and programmed in Avenue (ESRI). Presented study proposed to analyze the hydrological concepts and computational structures of NGFlow, to evaluate its applicability in the Cuiabá (MT) watershed and to integrate the model in the GIS/Database environment of the “Integrated System for Environmental Monitoring of the Cuiabá river basis – SIBAC” [1].
For initial model setup, time series of precipitation and runoff were extracted from the SIBAC database, pre-processed (fulfilling of data gaps) and formatted for input. Watershed parameterization (extraction of sub-basins, river network and its physiographic characteristics) was done through Digital Elevation Model (DEM) processing. Original NGFlow Avenue scripts were adapted to guarantee model interoperability with the SIBAC alphanumeric and spatial database. New scripts were developed to improve efficiency of model integration and user friendliness.
Model implementation allowed the modelling of monthly river runoff in the Cuiabá river and its main affluents, considering spatial distribution of precipitation, physiographic characteristics of the watershed and river network and operation modes of hydraulic power plants. Model integration will permit the immediate application of the model in other watersheds driven by a complete GUI and without the necessity of detailed knowledge of the ArcView GIS-software.
1. INTRODUÇÃO
Modelos hidrológicos são utilizados para a previsão do fluxo da água e seus elementos constituintes nos mananciais superficiais e subterrâneos [2]. A variação temporal do ciclo hidrológico é simulada utilizando geralmente uma representação de elementos espaciais simplificada, assumindo a bacia hidrográfica como uniforme ou dividindo-a em sub-unidades com características semelhantes. Sistemas de Informação Geográfica (SIG) apresentam a capacidade de representar e analisar características espaciais da superfície terrestre, disponibilizando desta forma ferramentas eficazes para incrementar o grau de definição espacial das bacias e seus constituintes, em número e detalhes descritivos. Conforme [3], a integração de modelos hidrológicos pode subsidiar o pré-processamento de dados tabulares e espaciais de entrada em modelos e/ou gerar formatos apropriados para a análise, dar suporte a própria modelagem permitindo a execução de tarefas como calibração, validação e previsão pelo próprio SIG e disponibilizar módulos de pós-processamento para a reformatação de resultados gerados e visualização de modelações no seu contexto espacial.
O Sistema Integrado de Monitoramento Ambiental da Bacia do Rio Cuiabá – SIBAC [1] vem sendo desenvolvido como ferramenta de análise e manejo de bacias hidrográficas, dispondo de componentes de Banco de Dados, ambiente SIG e modelos de qualidade de água. O presente trabalho aborda a implementação do modelo hidrológico NGFlow no ambiente SIG de SIBAC, adicionando desta forma ao SIBAC uma ferramenta para subsidiar a regionalização de vazões, análises da disponibilidade hídrica na bacia e para gerar dados de entrada necessitados por modelos de qualidade de água. O NGFlow, originariamente desenvolvido por [4] para a simulação do escoamento dos rios da bacia do rio Niger, África, é um modelo de chuva-vazão semi-distribuído, baseado em mapas vetoriais e implementado no ambiente SIG de ArcView 3.2 (ESRI). A integração do modelo no SIBAC inclui a capacidade de executar todos os
passos de modelação tais como pré-processamento de dados espaciais e alfanuméricos, simulação, otimização e visualização a partir de um único ambiente computacional.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
A implementação de NGFlow é baseada no software SIG ArcView na versão 3.2 (ESRI). Os pré-processadores do Modelo Numérico de Terreno (MNT) necessitam a extensão Spatial Analyst, versão 2.0.
Uma modelação com NGFlow necessita três conjuntos de dados de entrada básicos: um MNT, uma representação espacial das estações climatológicas e as séries temporais de precipitação associadas (Figura 1). No caso da existência de represas, deve ser acrescentado um respectivo plano de informação pontual com uma tabela de atributos da sua caracterização (volume, extensão, liberação de água etc.). NGFlow pode ser calibrado através de series temporais observadas de vazão.
O MNT é utilizado para a parametrização da bacia hidrográfica (extração da rede hidrográfica a ser modelada, divisão de sub-bacias e determinação de seus parâmetros fisiográficos). Para o estudo de aplicação foi utilizado um MNT discretizado em células de área igual a 22.500 m2, derivado das 19 cartas
topográficas da escala 1:100.000 que cobrem a bacia do rio Cuiabá, localizada no sul do estado de Mato Grosso, com uma extensão de aproximadamente 29.000 km2. A localização dos postos pluviométricos e
suas respectivas series temporais foram obtidas pelo portal “Hidroweb” [5].
A extrapolação espacial das series temporais é obtida por interpolação a partir do método “Polígonos de Thiessen”. Por sobreposição dos planos de informação da divisão das sub-bacias e das regiões homogêneas de precipitação (polígonos de Thiessen) é obtida uma tabela estimada da série temporal da precipitação média para cada sub-bacia. Um modelo de armazenamento gera a série temporal do balanço hídrico de solo por sub-bacia. A partir da atribuição desta série temporal à rede hidrográfica (cada sub-bacia contém um único trecho de rio), um algoritmo de roteamento nos canais é executado em cada passo temporal. Um módulo de otimização por minimização de erros permite o ajuste interativo dos parâmetros fisiográficos da rede hidrográfica e das sub-bacias, utilizando séries de vazões observadas.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na sua integração no ambiente SIBAC, uma modelação de vazão com NGFlow é efetuada em quatro passos principais: o pré-processador gera, a partir do MNT, os dados espaciais vetoriais de entrada (sub-bacias e rede hidrográfica); os pré-processadores do modelo realizam a confecção e inicialização das tabelas de atributos e séries temporais necessárias, cálculo de parâmetros fisiográficos da rede de drenagem e sub-bacias, a interpolação espacial da precipitação e o cálculo do balanço hídrico. Um módulo de simulação realiza o roteamento da vazão nos canais e um módulo de otimização ajusta parâmetros fisigráficos da rede de drenagem e sub-bacias para calibração do modelo para a área de estudo.
A figura 2 mostra os passos de trabalho do pré-processador dos dados espaciais, cuja única entrada necessária é o MNT (módulo 1). O pré-processador da versão original de NGFlow mostrou várias limitações para seu uso operacional, a mais importante a necessidade da utilização do software ArcInfo (ESRI) para geração dos temas das sub-bacias e trechos associados, fato que exige do usuário o conhecimento deste produto e eleva de forma significativa tempo e custos para modelações. Na apresentada integração de NGFlow no SIBAC, todos os passos de pré-processamento podem ser executados de forma iterativa no ambiente ArcView. Os módulos 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 11 são modificações do pré-processador do modelo HMS [6], adaptadas para as necessidades de NGFlow, inclusive a geração dos respectivos campos de atributos e
seu preenchimento.
Após a adição do MNT (1) é verificada a existência de eventuais depressões fechadas (sinks) do MNT que são corrigidas a partir do módulo (2). Do MNT corrigido podem ser derivados os temas da direção do fluxo superficial (3), que através das diferenças de altitude simula a direção do escoamento em cada célula da matriz, e do fluxo superficial acumulado (4), que a partir de um valor constante de acumulação determina quais células fazem parte do leito do rio, simulando desta forma a rede hidrográfica principal (5). Após a segmentação dos trechos (6), que divide a rede hidrográfica simulada em seus segmentos com base em suas confluências, a definição das saídas das sub-bacias (7), o delineamento das sub-bacias (8), e a Vetorizaćão dos temas do rio e das sub-bacias, que até neste momento se encontram armazenados no modelo de dados matricial (9) e (10). A topologia dos temas criados deve ser corrigida em seguida pelo módulo 11. Os temas vetorizados dos trechos e sub-bacias são as entradas para a modelação com NGFlow.
A figura 3 mostra um fluxograma das operações a serem executadas para efetuar simulações com NGFlow-SIBAC após o pré-processamento dos dados espaciais. São diferenciados na figura 3 módulos modificados da versão original de NGFlow e novos módulos desenvolvidos. É necessária a execução de pré-processadores do modelo para padronização dos nomes dos temas espaciais (2), modificação e inicialização de tabelas dos temas espaciais e séries temporais (3, 5, 7), análise topológica da rede hidrográfica (4), adição de postos pluviométricos (6), interpolação e sobreposição espacial para estimativas da série temporal da precipitação por sub-bacia (8) e cálculos do balanço hídrico e de parâmetros hidrológicos derivados (10). Com a montagem final dos dados espaciais e tabulares (11) podem ser executadas as simulações (12). NGFlow-SIBAC dispõe de pós-processadores, o mais importante deles para efetuar otimizações interativas do modelo a partir do ajuste de parâmetros fisiográficos da rede hidrográfica e das sub-bacias (13), comparando vazões simuladas e observadas em postos hidrológicos. Outros módulos de pós-processamento, entre eles módulos para a visualização da distribuição das vazões e construção de pontos de checagem e represas, não foram submetidas à alterações significativas para a integração de NGFlow no SIBAC.
Todos os módulos descritos podem ser executados interativamente a partir de uma interface personalizada de ArcView (Figura 4). O pré-processamento de dados espaciais é efetuado por sub-itens do menu “Modelagem-HMS”, enquanto simulações hidrológicas e a calibragem do modelo podem ser iniciados por chamadas no menu “StreamFlowModel”. Na disponibilidade dos dados de entrada básicos (MNT, postos pluviométricos, serie temporal de precipitação), o modelo pode ser aplicado em outras bacias hidrográficas, sem necessidade de qualquer manipulação interativa de planos espaciais ou tabelas de atributos ou series temporais.
Na figura 4 é visualizada a bacia hidrográfica do rio Cuiabá com suas sub-bacias e rede hidrográfica, ambos planos de informação extraídos a partir dos pré-processadores de MNT implementados, sobrepostos com os onze postos pluviométricos com series históricos consistentes na bacia e os respectivos interpolados polígonos de Thiessen.
A figura 5 mostra a interface de ArcView com o resultado de uma ajuste parcial (otimização) de uma simulação da vazão mensal na Bacia do Rio Cuiabá. No lado esquerdo superior da interface (Massfit.cht) são visualizadas uma comparação da vazão média mensal observada em uma seção de controle (Target) e a simulada (Bestmass) no mês de Novembro 1994 da série temporal, utilizando como critério de ajuste a
melhor conservação de massa (comparação dos somatórios das vazões simuladas e observadas) na série temporal utilizada (72 meses). No lado esquerdo inferior da interface é apresentado, para quatro iterações de ajuste, o erro relativo das discrepâncias de massa (Optmass.cht). No lado direito da interface são visualizadas na janela gráfica a rede de drenagem e a bacia hidrográfica com os trechos selecionados para a otimização na parte baixa da bacia (em amarelo) e a tabela comparativa (target.dbf) da serie temporal (campo “Time”) entre os valores de vazão observados (campo “Target”) e simulados (campos “Besterr” e “Bestmass”). Primeiras simulações, utilizando uma serie temporal mensal de seis anos (1994-99), resultaram em ligeiras sobre estimativas da vazão na época das chuvas (novembro – abril) e sub estimativas nos meses da seca (maio – outubro). A fração entre o escoamento superficial e sub-superficial se mostrou como o parâmetro mais crítico no ajuste do modelo.
Na sua versão atual, o modelo ainda não é apto para uma simulação dos fluxos da água subterrânea. Este componente, em fase de implementação, será interligado com o componente operacional para simulação do escoamento superficial. Pretende-se ainda uma tradução completa dos diálogos e saídas do modelo. Futuros trabalhos visarão uma completa interoperabilidade com o modelo de qualidade de água QUAL2E, já integrado no ambiente de SIBAC [1].
4. CONCLUSÃO
As modificações de scripts pré-existentes como também a criação de novos scripts permitiram a adaptação e compatibilização de NGFlow com os componentes de Banco de Dados e SIG de SIBAC. A integração realizada facilita o manuseio do modelo e acrescentou componentes que permitem a realização de todas as tarefas de uma modelação hidrológica em um ambiente ArcView, incluindo todos os passos de pré-processamento de dados espaciais. A modularização e padronização dos módulos permitem a aplicação imediata do modelo em outras bacias hidrográficas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Zeilhofer, P., Lima, E. B. R., Santos, F. M. & Rigo, L. O. J. (2002). Sibac: A Gis-Based Environmental Monitoring System For The Cuiabá Watershed, Central Brazil. GISBRASIL 2002, Curitiba – PR, 22-26 de Abril de 2002.
[2] Tucci, C.E.M. (1998). Modelos Hidrológicos. Editora da Universidade/UFRGS, Porto Alegre, 669 p. [3] Mizgalewicz, P.J & Maidment, D.R. (1996). Modeling Agrichemical Transport in Midwest Rivers Using
Geographic Information Systems. CRWR Online Report 96-6, Center for Research in Water Resources, University of Texas, Austin. (http://www.cnwr.utexas.edu/online.html).
[4] Ye, Z. B. S., Maidment, D. R. & McKinney, D. C. (1996). Map-based surface and subsurface flow simulation models: An object-oriented and GIS approach. CRWR Online Report 96-5, Center For Research In Water Resources, The University of Texas Austin, 222 p. (http://www.ce.utexas.edu/centers/crwr/reports/).
[5] ANA (2002). Informações Hidrológicas – Estações telemétricas. Brasilia, DF: Agencia Nacional das Águas. ( http://hidroweb.ana.gov.br/HidroWeb/ ).
[6] Oliveira, F. & Maidment, D. R. (1999). GIS Tools for HMS Modeling Support. 19th Annual ESRI
International User Conference, 26-30 de Julho, San Diego, California.
ANEXOS
A. FIGURAS
Modelo de Terreno Dados Espaciais
Estações Climatológicas
Séries temporais (mensais) de precipitação
Dados Alfanuméricos
Rede hidrográfica Parâmetrosfisiográficos Divisão das sub-bacias Regiões homogêneasde precipitação
Precipitação por sub-bacia
Balanço hídrico por sub-bacia M ód ulo d e ro te am en to Vazões observadas
Optimização de parâmetros fisiográficos da rede hidrográfica e sub-bacias por minimização de erros. Vazão (mensal) simulada C o m pa ra çã o C om pa ra çã o As sociação (relacio nam ento 1:1 ) Modelo matemático
Figura 1. Procedimento da simulação hidrológica com NGFlow.
Modelo Numérico de Terreno da bacia - MNT Adição do MNT ao modelo 1 Preenchi-mento de depressões fechadas 2 Direção do fluxo superficial 3 Fluxo superficial acumulado 4 Definição da rede hidrográfica principal 5 Segmentação dos trechos 6 Definição
das saídas das sub-bacias 7 Delineamento das sub-bacias 8 Vetorização dos trechos 9 Vetoriza-ção das
sub-bacias 10 Correções da topologia dos polígonos 11
Figura 3. Módulos de NGFlow-SIBAC para pré-processamento de dados espaciais, desenvolvidos a partir da modificação de scripts do pré-processador de HMS [6].
Rede hidrográfica e sub-bacias vetorizadas 1 Modifica nomes dos temas 2 Modifica tabelas de atributos dos temas 3 Definição da entrada e saída da bacia 4 Prepara tabelas das series temporais 5 Adiciona tema dos postos pluvio-métricos 6 Inicializa Tabelas 7 Precipitação por sub-bacia 8 Calcula Balanço hídrico (Psurp) 9 Calcula parâmetros hidrológicos derivados 10 Pré-processadores do modelo SIG de NGFlow montado 11 Execução da simulação (SFlowSim) 12 Otimização do modelo 13 Legenda:
Script, modificação do respectivo módulo de NGFlow original.
Script criado para melhor adaptação do modelo às condições da área de estudo e modularização. Execução do modelo
Figura 4. Módulos de NGFlow-SIBAC, desenvolvidos a partir da modificação do modelo hidrológico NGFlow [4] para melhor adaptação e modularização do modelo.
Figura 4. Resultado da otimização parcial de uma simulação de vazão mensal com NGFlow, realizada na Bacia do Rio Cuiabá.
