XXI Simposio Brasileiro de Recursos Hídricos 1
Modelagem do rio Uruguai para atualização da CMP de Salto Grande
A. Villanueva1,*, P. Cacik1, V. Zucarelli1, G. Cazenave1, C. Scioli1, S. Menajovsky1, B. Collischonn1, F. Cavalcanti1, M. Irigoyen2, E. Zamanillo2 e N. Failache2
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Evarsa-Incociv Hidrouruguay, 2 CTM Salto Grande; *AONVILLA@GMAIL.COM
RESUMO: Para atualizar a Cheia Máxima Provável (CMP) da represa de Salto Grande foi implementado um modelo hidrológico-hidrodinâmico do rio Uruguai. O objetivo da modelagem era simular a Precipitação Máxima Provável para gerar a CMP.
A estratégia geral de calibração foi: i) Calibração com base em seqüências de eventos, abrangendo diferentes tipos de tormentas; ii) Controle de consistência e ajustes locais por sub-bacia; iii) Calibração regional e transposição às sub-bacias sem dados; iv) Parâmetros válidos para todos os eventos.
O conjunto final de parâmetros devia respeitar dois requisitos: i) Ser válido para todos os eventos de calibração e verificação; ii) A variação espacial dos parâmetros deve acompanhar a variação espacial das características das sub-bacias. A primeira exigência implica que esse conjunto de parâmetros representa adequadamente todos os eventos, mas não é o ideal para nenhum evento individual.
As principais fontes de incerteza na calibração foram os erros de extrapolação na curva h-Q e os erros na chuva. Durante a calibração, as inconsistências detectadas na chuva foram corrigidas, quando possível, e o mesmo foi feito com as outras fontes de incerteza. Na verificação não houve correção, o modelo absorve todos os erros.
Palavras-chave: Modelagem Hidrológica, Cheia Máxima Provável
Modeling Uruguay river to update the MPF at Salto Grande
A. Villanueva1,*, P. Cacik1, V. Zucarelli1, G. Cazenave1, C. Scioli1, S. Menajovsky1, B. Collischonn1, F. Cavalcanti1, M. Irigoyen2, E. Zamanillo2 e N. Failache2
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Evarsa-Incociv Hidrouruguay, 2 CTM Salto Grande; *AONVILLA@GMAIL.COM
ABSTRACT: To update the Maximum Probable Flood (MPF) at Salto Grande dam a hydrologic-hydrodynamic model of the river Uruguay was implemented. The purpose of the modeling was to simulate the Probable Maximum Precipitation to generate the MPF.
The general calibration strategy was: i) Calibration based on sequences of rainfall events, each one comprising different types of storms; ii) Consistency control and local adjustments for sub-basin; iii) Regional calibration and parameter transposition to ungauged sub-basins; iv) Same parameter set for all events.
The final set of parameters had to meet two requirements: i) To be valid for all calibration and verification storms; ii) The spatial variation of parameters should follow the spatial variation of the characteristics of the sub-basins. The first requirement implies that this set of parameters adequately represent all rainfall events, but is not ideal for any individual one.
The main sources of uncertainty in the calibration were the extrapolation of errors in h-Q curve, and errors in rainfall data. During calibration, the inconsistencies detected in rainfall data were corrected, where possible, and the same was done with other sources of uncertainty. In the verification process there was no correction, the model absorbs all errors.
INTRODUÇÃO
Para atualizar a Cheia Máxima Provável (CMP) da barragem de Salto Grande foi implementado um modelo hidrológico-hidrodinâmico do rio Uruguai (EVARSA-INCOCIV, 2012). O objetivo da modelagem era simular a Precipitação Máxima Provável (PMP), Hidroestructuras (HE), 2006 para gerar a CMP. Para o componente hidrológico foi utilizado o sistema de modelagem HEC-HMS (HEC, 2006), com simulação contínua. Isso fez possível representar a variação da umidade do solo em simulações que têm, freqüentemente, vários meses de duração. Os hidrogramas resultantes do modelo hidrológico foram propagadas ao longo do rio Uruguai com o modelo hidrodinâmico unidimensional HEC-RAS (HEC, 2010), que foi implementado a partir de Itá (Brasil) até a seção correspondente à barragem de Salto Grande (ver figura 1). O modelo hidrodinâmico tem como condição de contorno a montante as vazões geradas pelo modelo hidrológico em Itá, e como contribuição lateral (pontual e distribuída) as vazões geradas pelo modelo hidrológico nas sub-bacias ao longo do trecho simulado.
Figura 1: Bacia do rio Uruguai.
A bacia de contribuição para a barragem de Salto Grande (224 mil km2, figura 1) é tratada pela Comisión Técnica Mixta de Salto Grande (CTM) como dividida em três partes, Bacia Superior, Bacia Média e Bacia Imediata: i) a Bacia Superior abrange desde as nascentes até 150 km a jusante de Ita, e tem aproximadamente 75.000 km2. É a região com a maior precipitação (que pode superar os 2000 mm/ano); ii) a Bacia Média abrange até a cidade de Paso de los Libres, e tem aproximadamente 125.000 km2 de área incremental. Na margem esquerda os principais aportes são os rios Ijuí, Piratini e Ibicuí; iii) A Bacia Imediata é o trecho desde Paso de los Libres até a barragem, incluindo os aportes diretos ao lago de Salto Grande, e representa aproximadamente 15% da área total de contribuição.
Acompanhando essa divisão existe uma classificação de tormentas em Tipo I, II e III. Eventos Tipo I são chuvas extremas na bacia superior; eventos Tipo II são chuvas intensas na bacia imediata, e Tipo III são eventos extremos de precipitação na bacia superior seguido por eventos extremos na bacia imediata.
XXI Simposio Brasileiro de Recursos Hídricos 3 O objetivo da modelagem hidrológica-hidrodinâmico era ter um modelo calibrado para grandes cheias para ser utilizadodo na simulação de tormentas maximizadas e da PMP, visando estimar a CMP. O modelo foi calibrado com as cheias de 1983, 1992 e 1997/98, e para verificação foram utilizadas as cheias de 1959, 1986 e 1990.
CALIBRAÇÃO DE MODELO HIDROLÓGICO-HIDRODINÂMICO Dados utilizados para a modelagem
A topografia da bacia foi analisada utilizando modelo digital de elevação (MDE) Shuttle Radar Topography Mission, SRTM, de 90 m de definição. O processamento do MDE gerou a divisão em sub-bacias.
A informação de tipo de solo foi extraída do Atlas de Solos de Zech & Hintermaier-Erhard (2002), e analisados seguindo o trabalho de Sartori et al., 2005.
A principal fonte de dados hidrometeorológicos foi a Agência Nacional de Águas do Brasil (ANA). Também foram utilizados dados hidrometeorológicos da Argentina e do Uruguai.
Para a modelagem hidrodinâmica foram utilizadas secções transversais recopiladas a partir de várias fontes e também relevadas especialmente para este estudo. As curvas h-Q sobre o rio Uruguai provem de várias fontes, das quais CTM Salto Grande foi a mais relevante.
Discretização do modelo
Os principais critérios utilizados para a divisão em sub-bacias foram:
Limites de tamanho definidos nos Termos de Referência: sub-bacias de não mais de 15.000 km2 até Paso de los Libres e não superiores a 5.000 km2 entre esse ponto e Salto Grande;
Potenciais pontos de controle para a calibração (postos fluviométricos com dados de vazão); Agrupamento de pequenas bacias resultantes do processamento do MDE.
A partir do processamento de MDE e consolidação dos resultados desse processamento foi gerada uma primeira versão da divisão em sub-bacias. Essa discretização foi proposta à CTM, que sugeriu algumas modificações. O resultado final desse processo de interação foi uma divisão em 87 sub-bacias, com um tamanho máximo de 10.000 km2 (rio Canoas, Brasil), e na qual apenas 5% das sub-bacias têm menos de 1.000 km2. As sub-bacias podem ser vistas na figura 1.
Para o modelo hidrodinâmico, no trecho Ita – Salto Grande se disponha de 549 secções transversais, entre recopiladas e relevadas, distribuídas da seguinte forma (tabela 1):
Tabela 1: Seções transversais utilizadas
Trecho Nro. de seções transversais
Itá – El Soberbio 186 seções em 345 km; ∆x ≈ 1.9 Km El Soberbio – Garruchos 140 seções em 288 km; ∆x ≈ 2 Km Garruchos – Monte Caseros 132 seções em 74 km; ∆x ≈ 2.8 Km Monte Caseros – Salto Grande 37 seções em 142 km; ∆x ≈ 3.8 Km Fontes de incerteza na calibração
A suposição implícita em um processo de calibração é que os dados utilizados (principalmente chuva e vazão) representam corretamente as variáveis de entrada e a resposta do sistema. Uma vez que esta hipótese é, no melhor dos casos, apenas parcialmente válida, há incerteza
quanto à validade dos resultados. Por exemplo, se os dados de precipitação estão corretos, mas os de vazão tem erros, o conjunto de parâmetros que ajusta adequadamente nesse caso gera um resultado errôneo quando ambas as variáveis estão corretas. Neste trabalho foram detectados problemas nas duas variáveis, chuva e vazão.
A incerteza na vazão tem como causa principal a extrapolação das curvas h-Q, que neste caso é da ordem de 150%, na média. Um fator adicional de incerteza é que as medições de vazão para grandes cheias têm geralmente um erro maior, especialmente quando há extravasamento e tem escoamento nas planícies de inundação.
Durante a calibração, as inconsistências detectadas na chuva foram corrigidas, quando foi possível verificá-las, por comparação com dados de postos próximos disponíveis. Na verificação não foram feitas correções, o modelo absorve todos os erros dos dados.
Montagem dos modelos hidrológico e hidrodinâmico
O modelo hidrológico montado no HEC-HMS utilizou os seguintes algoritmos:
SMA-HMS, algoritmo de simulação contínua para separação do escoamento (Bennet & Peters, 2000). Este algoritmo inclui a propagação subterrânea;
Clark-HMS, para propagação na bacia;
Muskingum-Cunge para a propagação nos cursos de água interiores.
O método de Clark e o de Muskingum-Cunge são tradicionais em hidrologia e não serão comentados aqui. O SMA-HMS é semelhante (não igual) ao SAC-SMA (Burnash, 1995) e aqui só serão comentados brevemente os parâmetros do mesmo.
Os parâmetros do método SMA-HMS podem ser agrupados em três categorias: i) parâmetros da superfície do solo; ii) parâmetros do camada superior do solo; e iii) parâmetros das duas camadas do aqüífero (superior e inferior) disponíveis no método. No primeiro grupo estão a capacidade de retenção da vegetação e do terreno (ambas em mm) e a percentagem de área impermeável. A camada superior do solo é retratada pelas taxas máximas de infiltração e percolação (ambas em mm/h) e dois armazenamentos, em mm, um sujeito a evaporação e percolação e o outro sujeito apenas a evaporação. Cada um dos dois aqüíferos é representado pela sua capacidade (mm), o coeficiente de armazenagem (horas) e taxa de percolação. Os valores iniciais dos parâmetros foram estimados a partir sugerido em Cantabria, 2004.
Para a inicialização do algoritmo de simulação contínua foi adotado um prazo de 90 dias de aquecimento. Noutras palavras, as simulações começavam, pelo menos, 90 dias antes das tormentas críticas definidas por HE, 2006. A duração de 90 dias foi definida através da variação das condições iniciais do método SMA e checando a partir de que momento o efeito dessa variação era irrelevante. Devido ao efeito da chuva de aquecimento, as condições iniciais dos reservatórios do método SMA foram fixadas em 50% para todas as simulações.
A modelagem hidrodinâmica foi formulada de maneira unidimensional. No trecho do rio entre Itá e Paso de los Libres todas as vazões entrantes foram consideradas como contribuição direta ao rio Uruguai, já que o impacto das cheias sobre os afluentes não faz parte do estudo. O leito principal do rio e as planícies de inundação foram consideradas na mesma seção transversal do rio. As planícies foram tratadas como áreas de armazenamento morto (áreas onde há armazenamento de água, mas não contribuem para o escoamento), especialmente nas planícies das grandes cheias. Na bacia imediata todos os cursos de água relevantes foram considerados como um braço do modelo, visando melhor caracterizar esse sector específico.
XXI Simposio Brasileiro de Recursos Hídricos 5 Como condição de contorno (CC) de montante foram utilizados hidrogramas observados ou simulados. A montante a CC era o hidrograma em Itá, observado ou obtido a partir da simulação hidrológica do HEC-HMS; a jusante a CC foi o cotagrama na barragem, observado. Segundo a natureza das contribuições, estas foram considerados como pontuais (geralmente para grandes cursos de água) ou como distribuídas (sub-bacias situadas entre dois aportes pontuais).
Procedimento de calibração
Os postos de controle de modelagem hidrológica-hidrodinâmico foram pontos ao longo do rio Uruguai. Um conjunto auxiliar de pontos interiores foi utilizado para calibrar o modelo hidrológico que gera as contribuições para o rio Uruguai (Figura 1). Estes pontos foram definidos com base na existência de dados de vazão e nas características da discretização.
Na fase inicial da calibração foi adotada uma abordagem que permitiu passar da estimativa inicial dos parâmetros a valores capazes de simular razoavelmente os hidrogramas de eventos individuais.
Para completar o processo de calibração o modelo devia ser representativo da resposta global da bacia para todos os eventos críticos definidos para o estudo. Isso significa obter um conjunto de parâmetros consistente em termos físicos pontuais e que tenha correspondência com a variação espacial das características das sub-bacias. Para isso foi adotada uma nova abordagem, baseada nos seguintes critérios:
Calibração com base em seqüências de eventos (outubro de 1997 a abril de 1998, que inclui tormentas do tipo I, II e III);
Calibração regional;
Transposição de parâmetros a sub-bacias sem dados; Parâmetros válidos para múltiples eventos;
Controle de consistência e ajuste local por sub-bacias
Para a calibração do modelo hidrodinâmico, sempre que possível foram utilizadas vazões observadas nos vários pontos de aporte. Nos pontos de entrada de vazão onde não se tinha essa informação, foram adotados os valores resultantes da simulação hidrológica do HEC-HMS. Considerando a informação disponível de estações fluviométricas sobre afluentes do rio Uruguai (Figura 1), o processo de calibração consistiu em subdividir o modelo em subseções: Paso de los Libres - Salto Grande; San Javier - Paso de los Libres e Ita - San Javier, na ordem de calibração.
A calibração começou pelo trecho de jusante, ajustando os volumes em primeiro lugar, de forma iterativa com o ajuste em paralelo do modelo hidrológico. Uma vez conseguidas diferenças de volume consideradas razoáveis (geralmente menores a 5% - 10%), procedeu-se ao ajuste da forma do hidrograma, trabalhando com a rugosidade (Manning). Completado o procedimento de calibração para um trecho, o trabalho seguia com o trecho imediatamente a montante, até chegar em Itá. Em todos os casos, a condição de contorno a jusante foi o nível de água na barragem de Salto Grande.
Valores finais dos parâmetros
Para garantir a representatividade do modelo final, o conjunto de parâmetros resultante da calibração deve atender dois requisitos: i) ser válido para todos os eventos, admitindo variações menores para situações específicas, tal como as condições iniciais de longo prazo; ii) a variação espacial dos parâmetros deve corresponder aproximadamente à variação espacial das características
das sub-bacias. A primeira exigência implica que o conjunto final de parâmetros representa adequadamente todos os eventos, mas não é o ideal para os eventos individualmente.
Durante o desenvolvimento do processo de calibração hidrológico, os resultados mostraram que, para reproduzir os hidrogramas observados em Salto Grande, os parâmetros críticos são os que regulam o volume de escoamento das bacias de contribuição (SMA, neste caso). Os parâmetros dos métodos de propagação na bacia e no canal (Clark e Muskingum-Cunge respectivamente) afetam a forma do hidrograma nas sub-bacias de origem e nos trechos próximos a jusante. Na medida em que os hidrogramas de controle ao longo do rio Uruguai vão sendo resultantes da agregação de sub-bacias e são afetados por trechos mais e mais longos de propagação o efeito desses parâmetros (o efeito desses processos locais) fica diluído.
Este efeito já tem sido observado antes na simulação de bacias com esse grau de discretização, e levou a que a definição do conjunto final de parâmetros estivesse centrada principalmente naqueles que definem a separação do escoamento.
Como período de base para a análise foi adotado o que vai de julho de 1997 a abril de 1998. Esta simulação abrange o período de outubro de 1997 a fevereiro de 1998, ao longo do qual existem varias cheias severas, e o intervalo de vazões observados no trecho Paso de los Libres - Salto Grande vai de 3000 m3/s a 32000 m3/s.
Simular corretamente essa série de eventos com modelagem contínua significa simular adequadamente a variação da condição de umidade do solo num intervalo que vai da saturação até quase seco, e de volta à saturação, várias vezes.
Além disso, a condição da bacia para esse evento pode ser considerada a mais representativa para simulações futuras, como é o caso da CMP, já que esse é o mais recente dos eventos críticos. Valores dos parâmetros nas bacias sem dados de vazão
Nas sub-bacias brasileiras a cobertura de postos fluviometricos é boa para a escala de trabalho e o grau de discretização utilizado. Todos os afluentes individuais têm postos fluviométricos que monitoram entre 60 e 90% de suas bacias. Na Argentina e no Uruguai a situação não é tão favorável.
Embora aproximadamente 70% da área de contribuição até Paso de los Libres é coberta por esses postos fluviométricos, em certas partes falta informação de vazão. A falta de informação aparece principalmente em duas situações: i) sub-bacias dos afluentes situadas entre o posto fluviométrico mais a jusante na bacia e a foz do rio Uruguai; ii) áreas de contribuição direta para o rio Uruguai.
A definição dos parâmetros dessas sub-bacias é parte do processo de calibração, e seguiu três critérios: i) As características físicas da bacia e da região; ii) Coerência com as bacias vizinhas; iii) Necessidades da calibração.
RESULTADOS DE CALIBRAÇÃO E VERIFICAÇÃO
No processo de calibração e verificação foram gerados e analisados uns 300 hidrogramas de controle para os modelos hidrológico e hidrodinâmico, nos pontos mostrados na figura 1. Este artigo só apresenta 2 resultados em Salto Grande. Os eventos são apresentados 1997-1998 para calibração (figura 2) e 1986 para verificação (figura 3).
Os postos de controle "oficiais" são aqueles sobre o Rio Uruguai, e nesses pontos foram definidas variáveis de controle e valores-limite do erro aceitável dessas variáveis. As duas variáveis
XXI Simposio Brasileiro de Recursos Hídricos 7 mais relevantes em relação à modelagem são volume de escoamento e vazão de pico. No trecho Paso de los Libres - Salto Grande, o erro aceitável para essas variáveis foi de ± 10% , tanto para calibração como para verificação.
Figura 2: Calibração - Cheia out.97-ene.98. Vazão total entrante ao reservatório.
Figura 3: Verificação - Cheia 1986. Vazão total entrante ao reservatório. COMENTÁRIOS FINAIS
O período principal durante o qual aconteceram os eventos de calibração e verificação é de 15 anos (1983-1998), e os eventos ocorrem em diferentes épocas do ano. Isso significa que há uma grande variação das condições da bacia, tanto em termos de uso da terra como do estado da bacia (umidade, condição da vegetação, etc.) quando ocorrem as chuvas.
Reproduzir o comportamento do sistema nessa ampla gama de condições implica na utilização de um conjunto de parâmetros que representa uma condição "média" da bacia e de seu funcionamento global. Uma das conseqüências disso é que há casos em que é necessário encontrar um meio termo entre os parâmetros que geram os melhores resultados para um ponto determinado e aqueles que melhor cumprem orequisito de consistência física local e espaçial.
Para alguns parâmetros e variáveis, os métodos disponíveis (HEC-HMS) impõem limitações. Tal é o caso da evapotranspiração e dos fenômenos influenciados por ela, dado que o HEC-HMS só permite valores médios mensais de evapotranspiração. Em relação ao estado de umidade da bacia quando acontece o evento de interesse, o uso de um período de inicialização (chuva de aquecimento) no algoritmo SMA anula a influência da condição inicial sobre os resultados do modelo.
A análise dos resultados de simulação de eventos de calibração e verificação dos pontos de controle auxiliares e pontos de controle do rio Uruguai mostra que foi alcançado um bom ajuste do modelo. Um único conjunto de parâmetros foi obtido, e o campo de parâmetros foi fisicamente consistente em termos locais e espaciais. Além disso, também os ajustes individuais nos pontos de controle auxiliares são de boa qualidade na maioria dos eventos e na maior parte dos pontos. BIBLIOGRAFIA
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