BEATRIZ MEDEIROS FERNANDES NEGREIROS

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BEATRIZ MEDEIROS FERNANDES NEGREIROS

APLICAÇÃO DO MODELO HIDROLÓGICO MGB-IPH NA

BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO SERIDÓ

NATAL-RN

2017

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

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Beatriz Medeiros Fernandes Negreiros

Aplicação do modelo hidrológico MGB-IPH na bacia hidrográfica do rio Seridó Trabalho de Conclusão de Curso na modalidade Artigo Científico, submetido ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos necessários para obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Civil.

Orientadora: Profa. Dra. Joana Darc Freire de Medeiros

Natal-RN 2017

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Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI

Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede

Negreiros, Beatriz Medeiros Fernandes.

Aplicação do modelo hidrológico MGB-IPH na bacia hidrográfica do rio Seridó / Beatriz Medeiros Fernandes Negreiros. - 2017.

19 f.: il.

Artigo científico (Graduação) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia Civil. Orientadora: Profª. Drª. Joana Darc Freire de Medeiros.

1. Engenharia civil - TCC. 2. MGB-IPH - TCC. 3. Modelo

hidrológico distribuído - TCC. 4. Rio intermitente - TCC. 5. Região semiárida - TCC. I. Medeiros, Joana Darc Freire de. II. Título. RN/UF/BCZM CDU 624

Computacional. I. Sales, Lindolfo Neto de Oliveira. II. Medeiros, Djalma Mariz. III. Título.

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Beatriz Medeiros Fernandes Negreiros

Aplicação do modelo hidrológico MGB-IPH na bacia hidrográfica do rio Seridó Trabalho de conclusão de curso na modalidade Artigo Científico, submetido ao Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil.

Aprovado em 06 de junho de 2017:

___________________________________________________ Profa. Dra. Joana Darc Freire de Medeiros – Orientadora

___________________________________________________ Profa. Dra. Adelena Gonçalves Maia – Examinadora interna

___________________________________________________ Eng. Civil Nelson Césio Fernandes Santos – Examinador externo

Natal-RN 2017

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RESUMO

Aplicação do modelo hidrológico MGB-IPH na bacia hidrográfica do rio Seridó

O modelo hidrológico distribuído MGB – Modelo de Grandes Bacias, desenvolvido pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH), vem sendo utilizado em diversas bacias sul-americanas, principalmente em rios perenes. Neste estudo foi avaliado o desempenho do MGB-IPH em simular a transformação de chuva em vazão na bacia hidrográfica de um rio intermitente, denominado Seridó. A bacia do rio Seridó se localiza no semiárido nordestino, em uma região que sofre fortemente com a escassez hídrica e possui alta variabilidade interanual de precipitações. O modelo foi executado no período de 1990 e 2000. Os resultados da calibração do MGP-IPH mostraram que o modelo conseguiu simular a sazonalidade da bacia e o realce entre anos mais secos ou mais úmidos. Contudo, ao comparar as curvas de permanência e os hidrogramas calculados e observados, observou-se que o modelo calculou vazões com desvios de super e subestimativa. O motivo dessa diferença de vazões provavelmente se deve à presença de muitos reservatórios de regularização na bacia, os quais o modelo não prevê. Assim, concluiu-se que o modelo MGB-IPH não conseguiu representar satisfatoriamente o regime de vazões da bacia hidrográfica do rio Seridó.

Palavras-chave: MGB – IPH; Modelo hidrológico distribuído; Rio intermitente; Região semiárida.

ABSTRACT

Application of the hydrological model MGB-IPH at the Seridó river basin

The hydrological distributed model MGB – IPH, an acronym from the Portuguese for Large Basins Model and Institute of Hydraulic Research, has been applied on diverse South American basins, mainly on perennial rivers. This study assessed the performance of the MGB-IPH to simulate the transformation of rainfall in river flow at an intermittent river basin denominated Seridó. The Seridó river basin is localized in the semi-arid Northeast region of Brazil, where heavily suffer from water shortage and it has elevated inter-annual variability of precipitations. The model was executed from 1990 to 2000. The results of the MGB-IPH calibration showed that the model was successful in simulating the seasonality of the basin and the contrast between dry and rainy years. However, when comparing the calculated and observed permanence curves and hydrographs, it was observed that the model calculated super or sub estimated river flows. The reason for that difference of river flows is probably due to the presence of many dams in the basin, that are not predicted by the model. Therefore, it was concluded that the MGB-IPH model was not able to satisfactorily represent the flow regime of the Seridó river basin.

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*Autora: Beatriz Medeiros Fernandes Negreiros, graduanda em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN).

** Orientadora: Joana Darc Freire de Medeiros, doutora em Recursos Hídricos pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), professora adjunta da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN).

1. INTRODUÇÃO

Modelos hidrológicos são ferramentas importantes para representar os processos que ocorrem em uma bacia hidrográfica, isto é, permitem entender o seu comportamento, tornando possível prever as consequências de condições diferentes das observadas (TUCCI, 1993).

Pequenas bacias permitem a utilização de modelos concentrados mais simples. Contudo, em grandes bacias, ou seja, com área superior a 10.000 km², a variabilidade dos dados é substancialmente maior, tornando os modelos concentrados menos adequados.

Dentre os modelos hidrológicos para representar grandes bacias mais utilizados, dois exemplos de grande representatividade são os modelos VIC-2L (LIANG et al., 1994) e LARSIM (LUDWIG & BREMICKER, 2006). Baseado na adaptação destes dois, e reconhecendo as limitações dos dados hidrológicos de certas regiões sul-americanas, o Modelo de Grandes Bacias MGB-IPH foi desenvolvido em 2006 pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (COLLISCHONN et al., 2007). Desde então, sua utilização propagou-se não apenas no Brasil, como também em outras bacias sul-americanas (RIBEIRO NETO, 2006; PAIVA; COLLISCHON; BUARQUE, 2013; FAN & COLLISCHONN, 2014; ADAM et al., 2015).

A grande maioria das aplicações do modelo hidrológico MGB-IPH foi em bacias de rios perenes, sendo poucos os estudos que envolvem a sua aplicação em rios intermitentes. Um dos poucos trabalhos desenvolvidos em rios intermitentes foi o de Felix & Paz (2016) que calibraram o MGB-IPH para a bacia hidrográfica do rio Piancó, o qual é uma sub-bacia da bacia hidrográfica Piranhas-Açu e se localiza no estado da Paraíba. O MGB-IPH conseguiu simular a forte sazonalidade da bacia, apresentando vazões calculadas muito próximas das vazões observadas, indicando que este modelo apresenta um bom potencial para representar os fenômenos hidrológicos de uma bacia hidrográfica da região semiárida.

A região semiárida do Nordeste brasileiro é caracterizada por altas taxas de evapotranspiração e baixos índices pluviométricos. Nela quase a totalidade dos rios são intermitentes e muitas regiões sofrem com a escassez hídrica. A Agência Nacional de Águas (2016), em seu Plano de Recursos Hídricos da Bacia Hidrográfica Piancó-Piranhas-Açu, estima que no cenário tendencial de 2032 haverá uma situação bastante deficitária nas unidades de planejamento hidrológico Peixe e Seridó, onde as demandas podem chegar ao limite das possibilidades de atendimento.

Modelos de simulação hidrológica podem contribuir para o gerenciamento dos recursos hídricos nestas regiões pois, quando validados, tem a capacidade de estimar dados de vazão onde não existem estações fluviométricas, possibilitando avaliar o potencial de abastecimento de diferentes áreas.

É neste contexto que se insere o presente estudo, o qual objetiva a aplicação do modelo hidrológico MGB-IPH na bacia hidrográfica do rio Seridó. Esta é uma sub-bacia da bacia hidrográfica Piranhas-Açu e se localiza no semiárido nordestino, compreendendo áreas do Rio Grande do Norte e Paraíba.

2. REVISÃO DE LITERATURA

O MGB-IPH é um modelo hidrológico de base física que simula o processo de transformação da chuva em vazão em grandes bacias hidrográficas. Ele se classifica como um

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6 modelo distribuído, desenvolvido conforme descrito em Collischonn (2001) e Collischonn et

al. (2007)

Nos modelos distribuídos os pontos de uma bacia hidrográfica são vistos possuindo diferentes valores de variáveis hidrológicas (VIESSMAN & LEWIS, 1996). Assim, no MGB-IPH, a bacia é discretizada em células quadradas que possuem suas próprias características quanto ao uso do solo, cobertura vegetal e tipo do solo. De acordo com essas características, as células são agrupadas em zonas com comportamento hidrológico semelhante, chamadas de unidades de resposta hidrológica ou URHs (COLLISCHONN, 2001).

Os processos hidrológicos, que são representados em cada célula da bacia, são: interceptação; escoamento superficial, sub-superficial e subterrâneo; evapotranspiração; e propagação do escoamento na rede de drenagem (COLLISCHONN, 2001).

A interceptação na superfície da vegetação é considerada como um reservatório no qual toda a precipitação fica armazenada até que a capacidade máxima do reservatório de interceptação seja atingida (COLLISCHONN et al., 2007). O modelo descreve a capacidade do reservatório de interceptação na URH jpela equação 1. (COLLISCHONN, 2001):

𝑆𝐼𝐿𝑗 = 𝛼. 𝐼𝐴𝐹𝑗 (1)

onde SILj [mm] capacidade do reservatório de interceptação da URH j; α[mm] parâmetro de

lâmina de interceptação (adota-se valor fixo de 0,2 mm); IAFj índice de área foliar.

Na separação do escoamento o modelo considera a existência de três reservatórios: os reservatórios superficial, sub-superficial e subterrâneo.

O escoamento superficial é calculado por (COLLISCHONN, 2001): 𝐷𝑠𝑢𝑝_𝑖,𝑗 = 𝛥𝑡. 𝑃_𝑖,𝑗− (𝑊𝑚_𝑗− 𝑊_𝑖,𝑗𝑘−1₎ (2) quando [(1 −𝑊1,𝑗𝑘−1 𝑊𝑚𝑗) 1 𝑏𝑗+1 − 𝛥𝑡.𝑃𝑖,𝑗 (𝑏𝑗+1).𝑊𝑚𝑗] ≤ 0 e por 𝐷𝑠𝑢𝑝_𝑖,𝑗 = 𝛥𝑡. 𝑃_𝑖,𝑗− (𝑊𝑚_𝑗− 𝑊_𝑖,𝑗𝑘−1₎ + [(1 −𝑊1,𝑗 𝑘−1 𝑊𝑚_𝑗) 1 𝑏𝑗+1 − 𝛥𝑡. 𝑃𝑖,𝑗 (𝑏_𝑗+ 1). 𝑊𝑚_𝑗] 𝑏_𝑗+1 (3) quando [(1 −𝑊1,𝑗𝑘−1 𝑊𝑚𝑗) 1 𝑏𝑗+1 − 𝛥𝑡.𝑃𝑖,𝑗 (𝑏𝑗+1).𝑊𝑚𝑗] > 0

onde Wm [mm] é o armazenamento máximo da camada superficial da URH j; bj [-] parâmetro

do modelo; Pi,j [mm/dia] precipitação menos a interceptação ao longo do intervalo de tempo;

Dsupi,j [mm/dia] escoamento superficial da URH j da célula i.

O escoamento sub-superficial é calculado por: 𝐷𝑖𝑛𝑡_𝑖,𝑗= 𝐾𝑖𝑛𝑡_𝑗. (𝑊𝑖,𝑗−𝑊𝑧𝑗 𝑊𝑚𝑗−𝑊𝑧𝑗) (3+2 𝜆𝑗) quando 𝑊_𝑖,𝑗> 𝑊𝑧_𝑗 (4) 𝐷𝑖𝑛𝑡_𝑖,𝑗 = 0 𝑞𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑊_𝑖,𝑗 < 𝑊𝑧_𝑗 (5) onde Wzj [mm] limite inferior de armazenamento no solo para haver escoamento

sub-superficial; Kintj [mm/dia] parâmetro de drenagem sub-superficial; λ [-] índice de porosidade

do solo.

O escoamento subterrâneo é calculado por: 𝐷𝑏𝑎𝑠_𝑖,𝑗= 0 quando 𝑊_𝑖,𝑗𝑘−1_{≤ 𝑊𝑐}

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𝐷𝑏𝑎𝑠_𝑖,𝑗= 𝐾𝑏𝑎𝑠_𝑗.(𝑊𝑖,𝑗𝑘−1−𝑊𝑐𝑗)

(𝑊𝑚𝑗−𝑊𝑐𝑗) quando 𝑊𝑖,𝑗

𝑘−1_{> 𝑊𝑐}

𝑗 (7)

onde Wcj [mm] limite para haver escoamento subterrâneo; Kbasj [mm/dia] parâmetro de

escoamento subterrâneo; Dbasj [mm] escoamento subterrâneo.

O modelo MGB-IPH também constitui parâmetros de retardo para cada um dos reservatórios que são calibrados para a bacia em estudo. Com estes parâmetros, os valores dos tempos de retardo são obtidos pelas equações 8, 9 e 10 (COLLISCHONN, 2001).

𝑇𝐾𝑆_𝑖 = 𝐶𝑆. 𝑇𝑖𝑛𝑑_𝑖 (8)

𝑇𝐾𝐼_𝑖 = 𝐶𝐼. 𝑇𝑖𝑛𝑑_𝑖 (9)

𝑇𝐾𝐵𝑖 = 𝐶𝐵. 86400 (10)

onde TKSi [s] tempo de retardo do reservatório superficial; TKIi [s] tempo de retardo do

reservatório sub-superficial; Tindi [s] tempo de concentração característico da célula; TKBi [s]

tempo de retardo do reservatório subterrâneo; CS [-] parâmetro para calibração da propagação superficial nas células; CI [-] parâmetro para calibração da propagação sub-superficial nas células; CB [dias] parâmetro de retardo do reservatório subterrâneo.

Para a simulação, o modelo precisa ser alimentado com dados de chuva e clima; e os parâmetros de vegetação e solo. Os parâmetros de vegetação são chamados de parâmetros fixos, os quais compreendem: albedo, índice de área foliar (IAF), altura média da vegetação e resistência superficial do solo. São descritos fixos, pois, seus valores são escolhidos com base na literatura, levando-se em conta os conhecimentos do hidrólogo.

Já os parâmetros calibráveis são escolhidos inicialmente baseados na literatura, mas são ajustados a cada simulação para encontrar valores ótimos durante o processo de calibração da bacia. Estes são os parâmetros de solo e o modelo os separa conforme o quadro 1.

Quadro 1. Descrição dos parâmetros calibráveis do MGB-IPH

Parâmetro Descrição

Wm (mm) Capacidade de armazenamento de água no solo.

b (-) Controle da separação entre o escoamento superficial e a saturação de armazenamento de água.

Kbas (mm/dia) Parâmetro de escoamento subterrâneo.

Kint (mm/dia) Parâmetro de drenagem sub-superficial.

WC (mm) Limite de armazenamento para acontecer fluxo ascendente ou descendente. CS (-) Parâmetro para calibração da propagação superficial nas células.

CI (-) Parâmetro para calibração da propagação sub-superficial nas células.

CB (h) Parâmetro de retardo do reservatório subterrâneo.

XL (-) Índice de distribuição do tamanho dos poros.

Fonte: COLLISCHONN (2001); JARDIM et al. (2017).

3. MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 ÁREA DE ESTUDO

A bacia hidrográfica do rio Seridó compreende uma área de drenagem de aproximadamente 10.080 km². Seu rio principal, o rio Seridó, possui nascente no município paraibano de Cubati, precisamente na Serra dos Cariris (ANA, 2014). Ela é responsável por

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8 abastecer as demandas hidrológicas de importantes cidades norte rio-grandenses, como por exemplo Caicó e Currais novos.

Seu clima árido, segundo a classificação de Köppen, possui altas taxas de evapotranspiração, da ordem de 1.786 mm/ano, que ocorrem principalmente no período de agosto a janeiro (ANA, 2014). As precipitações têm média de 500mm ao ano com alta variabilidade interanual, sendo concentradas nos meses de fevereiro a maio (ANA, 2014).

Na formação geológica da bacia prevalece a presença de rochas ígneas e metamórficas. Acima destas, luvissolos crômicos e neossolos litólicos cobrem a região oeste e leste da bacia, respectivamente. A maior parte do uso e ocupação do seu solo é composta por Caatinga aberta e Caatinga densa, apesar de altos índices de processos de desertificação (ANA, 2014).

Figura 1. Mapas de localização da bacia hidrográfica do rio Seridó

Fonte: Autora, 2017.

3.1 PRÉ-PROCESSAMENTO DO MGB-IPH

Para a discretização da bacia Seridó foi utilizado o plugin IPH Hydro Tools, acoplado ao software de geoprocessamento Map Window GIS®. O plugin utiliza o Modelo Digital de Elevação (MDE) da região para gerar os arquivos necessários no pré-processamento do MGB-IPH. Inicialmente o IPH Hydro Tools realiza o preenchimento das depressões no MDE, os quais ocorrem quando o valor da altitude de uma ou mais células é menor do que o das células vizinhas. Este passo é necessário caso contrário o software pode não identificar uma saída para a rede de drenagem (JARDIM et al., 2017). Na sequência o plugin calcula, para cada célula do MDE, a direção de escoamento da água até aquele ponto, criando o arquivo de direções de fluxo.

Com base na direção do fluxo é realizada a geração da área de drenagem acumulada, que resultará na definição da rede de drenagem. Para tanto, é necessário estabelecer a partir de que valor limite de área de drenagem (AL) será considerado que existe um curso de água. Um valor baixo de AL implica em uma bacia demasiadamente ramificada, enquanto que um valor muito alto de AL pode ignorar cursos de rios importantes. Para o caso da bacia Seridó foi utilizado AL de valor igual a 3000, o qual produziu uma rede de drenagem de interesse esperado (Figura 2).

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Figura 2. Mapa da rede hidrográfica gerada pelo HydroTools

A etapa seguinte foi a delimitação da bacia através da escolha do seu ponto de exutório. Neste estudo o exutório foi selecionado como o encontro do rio Piranhas-Açu com o seu afluente, o rio Seridó. O modelo ainda oferece a escolha de mais exutórios para a divisão da bacia em sub-bacias, utilizando como um dos critérios a separação entre regiões mais altas e regiões mais baixas. Como primeira opção, a bacia foi discretizada sem divisão em sub-bacias. Posteriormente, uma segunda opção foi feita dividindo a bacia em três sub-bacias, onde duas delas se particularizam por terem um relevo acidentado enquanto que a outra possui menores altitudes (Figura 3).

Figura 3. Mapa de relevo e divisão em sub-bacias da bacia Seridó

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10 Na sequência, as informações dos arquivos de direções de fluxo e rede de drenagem foram reunidas para produzir o arquivo de minibacias. Uma minibacia é definida como a área de contribuição direta para um determinado trecho de rio (PONTES et al., 2015). Foram obtidas 215 minibacias neste estudo (Figura 4).

Figura 4. Mapa de minibacias gerado pelo HydroTools

As unidades de resposta hidrológica presentes na bacia Seridó foram extraídas diretamente do mapa de URHs da América do Sul, disponibilizado pelo portal de Hidrologia de Grande Escala (HGE) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS, 2017) (Figura 5 e Tabela 1).

Figura 5. Mapa de URHs da bacia hidrográfica do rio Seridó

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3.2 DADOS E PARÂMETROS DE SIMULAÇÃO

Os parâmetros fixos utilizados na simulação da bacia hidrográfica do rio Seridó encontram-se na tabela 1. Os valores dos parâmetros foram escolhidos segundo Collischonn (2001); Shuttleworth (1993), Miranda et al. (1996), Kabat et al. (1997) e Bremicker (1998), conforme citados por Collischonn (2001).

Tabela 1. Parâmetros fixos da bacia Seridó para o MGB-IPH

URH Descrição Albedo IAF Altura média da

vegetação (m)

Resistência superficial (s/m)

1 Floresta/ solo raso 0,13 6,0 10 100

2 Floresta/ solo profundo 0,13 6,0 10 100

3 Agricultura/ solo raso 0,17 3,0 1,0 70

4 Agricultura/ solo

profundo 0,17 3,0 1,0 70

5 Caatinga/ solo raso 0,18 2,0 6,0 60

6 Caatinga/ solo profundo 0,18 2,0 6,0 60

7 Várzeas e florestas inundáveis 0,10 1,0 0,5 0 8 Áreas semi-impermeáveis 0,10 1,0 0,5 200 9 Água 0,08 1,0 0,1 0 Fonte: Autora, 2017.

Nos parâmetros calibráveis, este estudo adotou WC igual a 0,1 e XL igual a 0,4, conforme Jardim et al. (2017) empregaram. Os demais parâmetros calibráveis foram manipulados levando-se em consideração as características da bacia Seridó.

O modelo realiza o balanço de água no solo e a propagação do escoamento tanto nas próprias células quanto na rede de drenagem. O método escolhido para propagação do escoamento na rede de drenagem foi o Muskingum-Cunge.

O período de simulação escolhido para a bacia Seridó foi entre 1990 e 2000. Foram utilizados dados de chuva e de vazões observadas provenientes da Agência Nacional de Águas (ANA). Desta forma, com a ferramenta de aquisição de dados da ANA no plugin do MGB-IPH, detectaram-se 81 postos pluviométricos próximos à região. Entretanto, somente 26 postos foram aproveitados, já que os restantes não possuíam dados de chuva no período da simulação. O mesmo procedimento foi repetido para as estações fluviométricas, os quais apenas 3 de 46 postos foram utilizados (Figura 6).

Os dados de clima foram retirados da base de dados interna do MGB-IPH de normais climatológicas, calculadas pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET). Foi escolhido o posto climatológico localizado na cidade de Cruzeta para extrair os dados de clima da bacia Seridó. Assim como os dados de chuva e vazões observadas, os dados de clima foram extraídos para o mesmo período de simulação.

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12 Figura 6. Estações pluviométricas e fluviométricas utilizadas no MGB-IPH

3.3 CALIBRAÇÃO

Segundo Collischonn (2001), os parâmetros de maior sensibilidade ao modelo MGB-IPH são: Wm, b, Kint, Kbas, CS e CI. Outros parâmetros como IAF e albedo possuem influência consideravelmente menor. Neste estudo, os valores de Kbas, Kint, b e Wm foram calibrados manualmente de acordo com as características da bacia.

A performance do modelo é calculada pelo coeficiente de eficiência Nash-Sutcliffe (NS), o qual é usado para avaliar modelos de simulação hidrológica (NASH & SUTCLIFFE, 1970). Assim, a calibração do modelo MGB-IPH consistiu em aproximar a vazões calculadas das vazões observadas, de forma que NS alcançasse valores mais próximos de 1. O coeficiente NS é determinado pela equação 11, conforme apresentado em Moriasi et al. (2007): 𝑁𝑆 = 1 − ∑ (𝑄𝑜𝑏𝑠,𝑖− 𝑄𝑠𝑖𝑚,𝑖)² 𝑛 𝑖=1 ∑𝑛 (𝑄_{𝑜𝑏𝑠,𝑖}− 𝑄_{𝑜𝑏𝑠,𝑚})² 𝑖=1 (11) onde Qobs,i e Qsim,i são as vazões observadas e simuladas para um determinado tempo i; e

Qobs,m é a média das vazões observadas ao longo do período de simulação.

Segundo Moriasi et al. (2007), valores de NS entre 0,0 e 1,0 são vistos como níveis aceitáveis de performance do modelo, já valores ≤0,0 indicam que a média das vazões observadas é um melhor indicador do que o modelo, apontando assim uma performance inaceitável.

4. RESULTADOS

Nas tabelas 2 e 3 são mostrados os parâmetros calibráveis que apresentaram melhor resultado do MGB-IPH para a bacia hidrográfica do rio Seridó. Nas sub-bacias 1 e 2, os parâmetros apresentaram valores de capacidade de armazenamento de água no solo (Wm) variando de 430mm para URHs de solos rasos a 800mm para a URH áreas de várzea. Para a sub-bacia 3 aumentou-se Wm de 430 para 600 para solos rasos e de 730 para 900 para solos

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profundos. Foram obtidos baixos valores de Kint e Kbas, de valor igual a 1,0 e 0,0, respectivamente.

Tabela 2. Parâmetros calibrados das sub-bacias

1 e 2 Tabela 3. Parâmetros calibrados da sub-bacia 3

URH Wm b Kint Kbas URH Wm b Kint Kbas

1 430 0,05 1,0 0,0 1 600 0,03 1,0 0,0 2 730 0,05 1,0 0,0 2 900 0,03 1,0 0,0 3 430 0,05 1,0 0,0 3 600 0,03 1,0 0,0 4 730 0,05 1,0 0,0 4 900 0,03 1,0 0,0 5 430 0,05 1,0 0,0 5 600 0,03 1,0 0,0 6 730 0,05 1,0 0,0 6 900 0,03 1,0 0,0 7 800 0,05 1,0 0,0 7 1000 0,03 1,0 0,0 8 300 0,05 1,0 0,0 8 300 0,03 1,0 0,0 9 0 0 1,0 0,0 9 0 0 1,0 0,0 CS: 10 CS: 12 CI: 70 CI: 100 CB: 600 CB: 700

Fonte: Autora, 2017. Fonte: Autora, 2017.

A tabela 4 mostra a análise de eficiência do MGB-IPH, baseada no coeficiente Nash-Sutcliffe, entre a opção 1, considerando apenas uma bacia e opção 2, considerando as sub-bacias. Observa-se resultados substancialmente melhores com a utilização da opção 2.

Tabela 4. Valores de NS para cada opção de simulação

Nº da estação

fluviométrica Minibacia Opção 1 Opção 2

37515000 200 -0,193 -0,127

37559000 209 -1,025 -0,42

37570000 214 0,077 0,246

Os hidrogramas das figuras 7, 8 e 9 apresentados são correspondentes a simulação considerando sub-bacias (Opção 2) e obtidas para cada estação fluviométrica. Nas figuras 10, 11 e 12 encontram-se as curvas de permanência estimadas pelo modelo.

Figura 7. Comparação entre hidrograma observado e calculado na estação fluviométrica nº 37570000

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Figura 10. Curvas de permanência de vazões diárias calculadas e observadas na estação fluviométrica nº 37570000

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5. DISCUSSÃO

5.1 CALIBRAÇÃO DOS PARÂMETROS

Observa-se que o conjunto de parâmetros obtidos na calibração (Tabela 2 e 3) são próximos aos apresentados por Felix & Paz (2016) para a bacia hidrográfica do rio Piancó. Essa semelhança se deve às características geomorfológicas da bacia Piancó, as quais se assemelham às da bacia Seridó.

Os baixos valores de Wm exprimem a baixa profundidade dos solos predominantes na bacia Seridó, que é uma característica típica de regiões semiáridas. Felix & Paz (2016) encontraram Wm na mesma faixa de valores dos obtidos no presente estudo. É interessante observar que mesmo em bacias de características hidrológicas muito diferentes da bacia Seridó, Saldanha et al. (2012) também obteve baixos valores de Wm em seu estudo na bacia do rio Uruguai, onde foi utilizado valor de 100 mm para Neossolo Litólico.

Quanto maior o parâmetro b, maior é a quantidade de água que escoa superficialmente e menos água infiltra no solo (COLLISCHONN, 2001). Assim, os valores de b para a bacia Seridó provavelmente deveriam ser mais altos do que os obtidos em outros estudos para solos mais permeáveis e profundos (PAIVA; COLLISCHONN; BUARQUE, 2013), pois os solos da bacia Seridó têm baixa profundidade e a água facilmente escoa

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16 superficialmente. Contudo, os baixos valores calibrados de b correspondem a elevada retenção de água nos reservatórios.

Os parâmetros Kbas e Kint apresentam valores diferentes dos encontrados na bibliografia. O Kint controla o escoamento sub-superficial e foi obtido o valor de 1,0. O Kbas controla o escoamento subterrâneo e assumiu valor próximo de zero, pois a bacia Seridó encontra-se sobre um substrato cristalino de rochas ígneas e metamórficas fissuradas; de forma que praticamente não existe escoamento subterrâneo.

A sub-bacia 3, por ser uma bacia de relevo mais homogêneo, possui menores picos de vazão e desta forma utilizou-se menores valores de b comparados aos das sub-bacias 1 e 2. Os valores de Wm nos blocos também foram modificados em virtude da diferença entre a composição dos solos predominantes. Na sub-bacia 1 e 2, que apresenta predominância de neossolos, o Wm foi ligeiramente menor que na sub-bacia 3, que por sua vez tem maior presença de luvissolos.

Os valores de CS, CI e CB, relacionados ao tempo de retardo do reservatório superficial, sub-superficial e subterrâneo, respectivamente, também foram modificados para a sub-bacia 3. A sub-bacia 3 apresenta maiores valores destes três parâmetros quando comparados à bacia 1 e 2. Isso se deve provavelmente a topografia mais plana da bacia 3, ao passo que as sub-bacias 1 e 2 possuem tempo de retardo menor devido a seu relevo acidentado com até mesmo presença de rochas expostas.

A utilização de sub-bacias tornou possível uma análise dos parâmetros mais ajustada às características físicas da bacia e pôde-se alcançar vazões calculadas mais próximas às vazões observadas, principalmente na estação mais a jusante do rio Seridó, a nº 37570000. Desta forma, percebe-se que a divisão em sub-bacias resultou na melhora dos valores de Nash-Sutcliffe, conforme mostra a tabela 4.

5.2 ANÁLISE DOS HIDROGRAMAS E CURVAS DE PERMANÊNCIA

De maneira geral, a análise dos hidrogramas demonstra que o modelo MGB-IPH conseguiu reproduzir a sazonalidade da bacia e o realce entre anos de maiores ou menores precipitações, como mostram as figuras 7, 8 e 9.

Na maior parte do período, a tendência dos hidrogramas calculados foi de estimar vazões maiores do que as observadas. O motivo dessa diferença de vazões se deve à presença de diversos reservatórios de regularização na bacia Seridó, os quais retiveram grande parte do escoamento durante o período de estudo. Importantes açudes da região – como Itans, Passagem das Traíras, Marechal Dutra, Cruzeta e Boqueirão de Parelhas – acumulam altos volumes de água que o modelo não prevê e por isso os fluxos de água esperados na simulação não atingem as redes de drenagem, resultando em hidrogramas superestimados e deficientes em simular os picos de cheia.

O modelo foi incapaz de prever os picos de cheia nos anos de 1991 e 1995, calculando vazões abaixo dos valores observados. Provavelmente isto ocorreu devido as sangrias dos reservatórios, as quais propagaram rápidos volumes de água não simulados no cálculo do balanço de água pelo MGB-IPH.

Assim como encontrado em estudo na bacia Piancó (FELIX & PAZ, 2016), a comparação das curvas de permanência demonstra a incapacidade do modelo em representar a intermitência do rio Seridó. O modelo simulou maior ocorrência de elevadas vazões do que os valores reais medidos na bacia, conforme mostram as figuras 10, 11 e 12. Essa dificuldade é esperada pois o MGB-IPH não foi concebido, em termo de formulação matemática dos processos hidrológicos, para rios com as características desta pesquisa.

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5.3 PERFORMANCE DO MODELO

O MGB-IPH apresentou NS de 0,246, no hidrograma da estação fluviométrica nº 37570000, para a calibração quando se considerou três sub-bacias, enquanto que quando se considerou uma única bacia apresentou NS de 0,077 (Tabela 4). Estes valores são considerados aceitáveis segundo Moriasi et al. (2007). No entanto, os valores de NS nas demais estações fluviométricas foram negativos, utilizando ou não a discretização com 3 sub-bacias, e assim demonstrando níveis inaceitáveis de performance do modelo.

Em aplicações anteriores o MGB-IPH apresentou ótimos resultados em bacias de rios perenes, tais como a bacia do rio Solimões, onde os valores de NS alcançaram até 0,72 (PAIVA; COLLISCHONN; BUARQUE, 2013), e a bacia do rio Taquari-Antas alcançando até 0,90 (COLLISCHONN, 2007). Entretanto, diferentemente da bacia do rio Seridó, estas bacias não estão localizadas na região semiárida, bem como não contêm reservatórios de grande influência no MGB-IPH.

Destaca-se, também, a carência de dados disponíveis para esta simulação, principalmente de dados de vazão nas regiões das sub-bacias 1 e 2, onde a bacia Seridó nasce. Do mesmo modo, a dados de clima possuem lacunas de medição durante os anos escolhidos para a aplicação do modelo, submetendo-o a adotar uma média climatológica nesses anos com deficiência de dados. Sobre os dados de chuva, observa-se que apenas três estações pluviométricas possuíam dados após 1995, uma localizada ao centro as outras duas a oeste da bacia. Assim sendo, após 1995 o modelo gerou arquivos de chuva interpolados apenas baseados nessas três estações, podendo ter desprezado chuvas de diferentes intensidades nas regiões à leste da bacia.

6. CONCLUSÃO

Modelos de previsão hidrológica podem ser importantes aliados na gestão de recursos hídricos de uma bacia. Em síntese, esse estudo buscou avaliar a eficiência do modelo MGB-IPH em uma bacia semiárida com características de intermitência, grande variabilidade interanual de precipitações e existência de reservatórios de grande porte.

Em certos anos, o modelo conseguiu estimar adequadamente a transformação de chuva em vazão. A sazonalidade da bacia também foi reproduzida pelo modelo. Contudo, verifica-se elevada dificuldade em representar a intermitência do rio Seridó na maior parte do período de simulação. Portanto, pode-se concluir que o modelo não conseguiu representar satisfatoriamente o regime de vazão da bacia Seridó, seja por defeitos de subestimativa ou superestimativa.

Os motivos responsáveis pelos desvios dos hidrogramas calculados com relação aos observados podem estar relacionados à presença de grandes reservatórios de regularização. Soma-se a isso, a insuficiência de dados fluviométricos para o ajuste do modelo.

Em virtude às dificuldades que essa simulação apresentou, sugere-se o aprimoramento do modelo MGB-IPH quanto à consideração dos reservatórios. Dessa forma, a possibilidade de incorporar o balanço de água nos açudes poderia tornar as simulações nas bacias nordestinas consideravelmente mais exatas.

Para concluir, apesar de não se ter obtido um bom ajuste do modelo, a aplicação do MGB-IPH na bacia Seridó desenvolveu conhecimentos sobre seu comportamento no âmbito da simulação hidrológica, os quais certamente serão utilizados em posteriores aperfeiçoamentos.

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