CALIBRAÇÃO DO MGB-IPH NA BACIA DO RIO MADEIRA PARA
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE PREVISÃO HIDROLÓGICA
Guilherme Jordão Cardoso 1; Franco Turco Buffon 2.
Resumo – A modelagem hidrológica é uma importante ferramenta para previsão de possíveis eventos extremos e de auxilio na gestão de seus impactos em municípios e comunidades que vivem em suas margens. A aplicação do modelo MGB-IPH na bacia do rio Madeira teve como objetivo iniciar os estudos dos principais processos hidrológicos que ocorrem na bacia e calibrar os parâmetros necessários para sua representação, afim de que se possa gerar um modelo hidrológico com base em transformação de chuva em vazão mais próximo da realidade, para que futuramente implantar um sistema de alerta com previsões de níveis com maior antecedência.
Palavras-Chave – Modelagem hidrológica; rio Madeira.
CALIBRATION OF MGB-IPH IN MADEIRA RIVER BASIN FOR I
DEPLOYMENT OF A HYDROLOGIC FORECAST SYSTEM
Abstract – Hydrological modeling is an important tool for predicting extreme events and possible assistance in managing their impacts on municipalities and communities living on its banks. The application of the MGB-IPH model in Madeira River basin aimed to initiate studies of the mains hydrological processes that occur in the basin and calibrate the parameters required for its representation, so that it can generate a hydrological model based on rain transformation in flow closer to reality, so that future deploy an warning system to forecast levels much earlier.
Keywords – Hydrological modeling; Madeira river.
1 Estagiário, CPRM – Serviço Geológico do Brasil, Residência de Porto Velho. guilherme.cardoso@cprm.gov.br.
INTRODUÇÃO
A exploração da região amazônica em busca de seu desenvolvimento por meio da agricultura, pecuária, grandes construções, entre outros empreendimentos, modificam o ambiente natural provocando a ocorrência de eventos hidrológicos que impactam a sociedade e o meio ambiente, gerando preocupações relativas à capacidade de previsão de tais eventos críticos e que acabam por incentivar pesquisas que tem como desafio a compreensão dos fenômenos envolvidos e das consequências que esses empreendimentos possam gerar.
Em 2014, durante a enchente histórica do rio Madeira, foi possível observar que o comportamento do regime hídrico durante o período de estiagem foi diferenciado, quando o nível permaneceu acima da média observada por muito mais tempo que em anos anteriores, levantou a hipótese de que o no ano seguinte poderia haver uma nova enchente devido ao fluxo de água não estar escoando o grande volume que estava ainda inundando municípios e distritos da região do Baixo Madeira.
Após algumas analises previas sobre a cheia, foi verificada a necessidade de desenvolver um modelo hidrológico que seja capaz de realizar previsão com maior antecedência do que os que atualmente são utilizados, que são baseados somente nas cotas e vazões observadas em estações de monitoramento de montante e com alcance de apenas 24 horas. Assim, optou-se por desenvolver um modelo de previsão baseado na transformação de chuva em vazão, para que com isso seja possível antecipar ainda mais os acontecimentos futuros.
Para realizar as previsões adotou-se o Modelo Hidrológico de Grandes Bacias (MGB-IPH), que foi desenvolvido no Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (COLLISCHONN et al. 2007). A adoção deste modelo se deve, pincipalmente, ao fato de que o mesmo é capaz de utilizar dados de precipitação gerados via satélite e disponibilizados pelo CEPTEC-INPE (ROZANTE et al. 2010), pois os dados de chuva observados na bacia do rio Madeira limitam-se a porção brasileira da mesma a partir das séries históricas disponibilizadas pela ANA (2003), sendo que a maior parte da bacia hidrográfica do rio Madeira estende-se por Bolívia (51%) e Peru (7%).
O MGB-IPH é distribuído por módulos (minibacias), e cada módulo é dividido em blocos de acordo com características como tipo de solo e cobertura vegetal. Cada bloco equivale a uma área hidrologicamente homogênea (unidades de resposta hidrológica), ou seja, áreas em que se verifica um comportamento hidrológico semelhante. Cada módulo tem sua variabilidade interna calculada e a partir daí são determinados os valores do escoamento superficial, escoamento nos solos e do escoamento subterrâneo gerados neste processo de balanço interno. A propagação do escoamento do módulo de montante é realizada pelo método de Muskingun-Cunge, e a esta é somada a vazão gerada em cada módulo e este processo se estende até o exutório da bacia.
CARACTERÍSTICAS DA BACIA DO RIO MADEIRA
A bacia do rio Madeira estende-se por Bolívia (51%), Brasil (42%) e Peru (7%) com 1.420.000 km² de extensão pela superfície terrestre (NETO, 2008). Nas regiões nordeste do Peru e noroeste da Bolívia o relevo possui cotas de até 6.400 metros de altitude, enquanto o trecho do rio que percorre a planície amazônica que fica no nordeste da Bolívia encontram-se altitudes de até 500 metros, e no norte do Brasil as altitudes ficam próximas a 50 metros.
Em Porto Velho, o trimestre em que ocorrem as maiores vazões média na bacia do rio Madeira é durante fevereiro-março-abril, cuja vazão média é da ordem de 37.000m³/s. Durante o
trimestre de agosto-setembro-outubro ocorrem as menores vazões em Porto Velho, cuja média das vazões mínimas é da ordem de 4.500m³/s. A vazão média de longo período em Porto Velho é de 18.886m³/s. Nota-se a grande variabilidade das vazões entre os períodos de cheia e seca.
Figura 1 – Mapa do modelo digital de elevações
Na bacia do rio Madeira, até o ponto onde se pretende realizar as previsões (Humaitá-AM), existem poucas estações fluviométricas com uma série histórica de vazões consistdas longas o suficiente para serem utilizadas na modelagem. Por isso, foi realizada uma seleção prévia das estações, onde foram selecionadas somente algumas destas, julgadas mais apropriadas para serem utilizadas. As estações consideradas para a calibração do modelo MGB-IPH estão situadas no rio Guaporé, rio Mamoré, rio Madeira, rio Abunã, rio Jamari e rio Machado. A Figura 3 apresenta a localização geográfica das estações.
Figura 3 – Estações fluviométricas estudadas e a rede hidrográfica onde se situam
Durante o desenvolvimento do modelo, a estação de Príncipe da Beira não possuía uma série de vazão, no entanto possuía uma longa série histórica de cotas. Também possui uma série de medições de descarga liquida que futuramente, a partir de um ajuste de uma curva-chave, será utilizada para converter os dados de cotassem vazão e serem utilizados no modelo.
METODOS UTILIZADOS
Para elaboração dos mapas necessários para alimentar o MGB-IPH, foram utilizadas informações de diversos órgãos nacionais e internacionais.
A hidrografia utilizada foi a com maior resolução possível, disponibilizada gratuitamente. Do Peru foram obtidos os dados por meio do site do Ministério da Educação do Peru (MINEDU)
Foram coletadas as informações sobre a hidrografia do Peru através do site do Ministério da Educação do Peru (sigmed.minedu.gob.pe/descargas/), da Bolívia através do GeoBolivia (geo.gob.bo/) e do Brasil através do IBGE (downloads.ibge.gov.br/downloads_geociencias.htm), assim foi criado um mapa com os principais rios da bacia.
Os dados de solos utilizados foram fornecidos pela Soil and Terrain Database for Latin America and the Caribbean (SOTERLAC; DIJKSHOORN et al. 2005). A fim de chegar a uma classificação que separasse solos rasos e solos profundos, utilizou-se os estudos realizados pelo Forest Resources Assessment (FAO, 1990) e a Classificação Hidrológica de Solos Brasileiros, feita por Sartori et al.(2005). O mapa de usos do solo foi gerado a partir do GlobCover (ARINO et al. 2010). Para reduzir o número de classes do mapa foi realizada uma reclassificação dos usos do solo de modo a agrupar todos os tipos de floresta em apenas uma classe floresta, da mesma forma para campos e agropecuária, gerando assim uma classificação mais generalizada e homogênea para o modelo. Com o cruzamento das informações dos solos e dos usos dos solos foi gerado o mapa de unidades de resposta hidrológica.
Inicialmente utilizou-se um modelo digital de elevações (MDE) com resolução espacial de 90 metros (SRTM), mas foi detectado que a ferramenta do MGB-IPH não conseguia processar o volume de dados gerados com essa resolução, por essa razão adotou-se um MDE com resolução espacial de 250 metros, gerado pelo CGIAR-CSI (srtm.csi.cgiar.org/), que engloba a área de interesse na bacia.
Com isto, após o processamento dos dados citados, foram gerados todos os mapas necessários para iniciar o pré-processamento básico para viabilizar a utilização do MGB-IPH.
Os demais parâmetros climatológicos foram obtidos através de estações do INMET, considerando a média histórica das séries disponíveis.
O período escolhido para realizar a calibração do modelo foi de 01/01/2001 a 31/12/2006, devido à disponibilidade de dados de chuva por satélite para o período, e devido a maior disponibilidade de dados consistidos nas séries históricas de vazão.
RESULTADOS DA APLICAÇÃO
A comparação entre os resultados obtidos na calibração pelo modelo MGB-IPH, considerou os valores do coeficiente de Nash (R²) e o erro de volume (ΔV), conforme as equações apresentadas a seguir. A comparação dos dados foi realizada com os mesmos parâmetros considerados por Neto (2008) em seu estudo na bacia do rio Madeira e estão apresentados na Tabela 1.
Equação Para Cálculo do Coeficiente Nash 𝑅2 = 1 − ∑(𝑄obs −𝑄calc)²
∑(𝑄obs −𝑄obs)²
(1) Equação Para Obtenção do Erro Volumétrico
ΔV=∑𝑄calc−∑𝑄obs
∑𝑄obs
(2)
Tabela 1 – Comparação entre valores dos parâmetros de avaliação da calibração com Neto (2008).
Código Sub-bacia Área (km2)
2001 à 2006 1984 à 1990
Calibração Calibração (NETO, 2008)
R² ΔV (%) R² ΔV (%) 15130000 Pimenteiras 56215 0,706 1,623 0,941 -1,996 15150000 Pedras Negras 109788 0,760 13,859 0,727 -3,606 15250000 Guajará-mirim 589497 0,831 4,424 0,882 3,502 15320002 Abunã 899761 0,894 4,945 0,848 -5,97 15400000 Porto Velho 954285 0,896 5,333 0,883 -5,677 15560000 Jiparaná 33012 0,548 0,561 0,825 -4,275 15580000 Tabajara 60212 0,635 8,796 0,874 14,702 15630000 Humaitá 1066240 0,902 6,184 0,932 -3,052 15324000 Plácido de Castro 7825 0,651 22,726 15120001 Mato Grosso 23814 0,717 2,646
15326000 Morada Nova - Jusante 11811 0,534 20,473
15430000 Ariquemes 7795 -0,113 74,14
15550000 Santa Isabel 12640 0,588 16,033
15559000 Sítio Bela Vista 16092 0,515 18,176
É possível observar, ao comparar os parâmetros de calibração do presente estudo com os publicados por Neto (2008), que nas estações de Pedras Negras, Abunã e Porto Velho, atingiu-se melhores resultados quanto ao coeficiente de Nash e erro volumétrico. Nas demais estações, os parâmetros de qualidade ficaram abaixo dos apresentados por Neto (2008), haja vista que a série histórica analisada no presente trabalho é menor e se tratam de períodos diferentes.
Percebe-se que as estações situadas no rio Madeira, Mamoré e Guhaporé apresentaram melhores resultados que as do rio Abunã, rio Machado e rio Jamari, provavelmente devido as maiores áreas das bacias hidrográficas destas estações.
Na figura 3 são apresentados os hidrogramas obtidos nesta fase de calibração, em uma comparação entre as vazões calculadas pelo modelo e as vazões observadas nas séries históricas de Humaitá, Porto Velho, Abunã, Guajará-Mirim, Príncipe da Beira e Pimenteiras.
É possível observar que os resultados obtidos pelo MGB-IPH se aproximam das vazões reais observadas nos pontos de monitoramento, indicando que o mesmo possui uma boa aplicação nesta bacia e tem potencial para ser ainda mais estudado e aprimorado na continuação deste estudo.
Figura 3 – Hidrogramas das vazões calculadas e vazões observadas
CONCLUSÃO
Por tanto, com base no que foi discutido anteriormente, é possível observar que a calibração realizada no modelo de grandes bacias (MGB-IPH) apresentou resultados satisfatórios considerando os pontos de monitoramento utilizados. Nas estações de Porto Velho, Abunã e Pedras Negras, os resultados observados ficaram mais próximos da realidade observada do que os de Neto (2008). Já nas estações de Pimenteiras, Jiparaná e Tabajara os resultados da calibração realizada ainda precisam ser melhorados, pois os de Neto (2008) foram mais próximos com o modelo para os resultados observados. Percebeu-se também que as bacias com maiores áreas de drenagem situadas no rio Madeira, rio Mamoré e rio Guaporé apresentaram resultados melhores que as demais, com bacias menores. Assim, concluímos que os resultados preliminares oriundos dessa calibração podem ainda ser melhorados, no entanto já demonstram a capacidade do modelo de representar com qualidade os processos hidrológicos da bacia do rio Madeira e a possibilidade do mesmo ser utilizado futuramente na previsão de vazões com maior tempo de antecedência.
AGRADECIMENTOS
Os autores deste trabalho gostariam de agradecer aos colegas da Residência de Porto Velho do Serviço Geológico do Brasil que contribuíram para o andamento da pesquisa.
REFERÊNCIAS
ANA (2003) HidroWeb - Sistemas de Informações hidrológicas. Disponível em http://hidroweb.ana.gov.br/HidroWeb.
ARINO, O.; RAMOS P.; JOSE J.; KALOGIROU, V.; BONTEMPS, S.; DEFOURNY, P.; VAN BOGAERT, E. (2012): Global Land Cover Map for 2009 (GlobCover 2009). © European Space Agency (ESA) & Université catholique de Louvain (UCL).
COLLISCHONN, W. ; ALLASIA, D. G. ; SILVA, B. C. ; TUCCI, C. E. M. (2007) The MGB-IPH model for large-scale rainfall-runoff modelling. Hydrological Sciences Journal, v. 52, p. 878-895. DIJKSHOORN, K.; HUTING, J.; TEMPEL, P. (2005) Update of the 1:5 million Soil and Terrain Database for Latin America and the Caribbean (SOTERLAC) (Version 2.0)
FAO (1990) Soil units of the soil map of the World. FAO-UNESCO-ISRIC, Roma.
JARVIS A., H. I. REUTER, A. NELSON, E. GUEVARA. (2008) Hole-filled seamless SRTM data V4, International Centre for Tropical Agriculture (CIAT).
NETO, A.R. SILVA, R.C.V., COLLISCHONN, W.; TUCCI, C.E.M.; (2008) Simulação na Bacia Amazônica com Dados Limitados: Rio Madeira.
ROZANTE, J. R.; MOREIRA, D. S.; GONÇALVES, L. G. G.; VILA, D. A. (2010) Combining TRMM and Surface Observations of Precipitation: Technique and Validation over South América, Weather and Forecasting.
SARTORI, A.; NETO, F. L.; GENOVEZ, A. M. (2005) Classificação Hidrológica de Solos Brasileiros para a Estimativa da Chuva Excedente com o Método do Serviço de Conservação do Solo dos Estados Unidos Parte 1: Classificação. Volume 10 n. 4, RBRH – Revista Brasileira de
