SISTEMA DE ANÁLISE E SIMULAÇÃO HIDROLÓGICA APLICADO A BACIAS HIDROGRÁFICAS Camilo Daleles Rennó Orientador: Dr. João Vianei Soares março/2003 Modelagem processos ambientais tridimensionais dinâmicos comportamentos não lineares componentes estocásticos múltiplas escalas de tempo e espaço Modelagem Como representar estes processos? >> simplificação << Modelagem F2 P3 F1 P1 E1 P2 E2 P4 F3 F1 f (t ) dE1 F1 P1 P2 dt dE2 P1 P2 P3 P4 dt F2 f (t ) F3 f (t ) P1 f ( E1, E2 ) P2 f ( E1, E2 , F3 ) P3 f ( E2 , F2 ) P4 f ( E2 ) Modelagem Classificação determinístico ou estocástico baseadoX em processos modelo ou empírico Y * contínuo *modelo * X ou discreto * ****** * pontual ou distribuído Y t t estático ou dinâmico Y=f(X1,X2,...,Xn) Y=f(X1,X2,...,Xn, t) Ciclo Hidrológico precipitação transpiração evaporação (interceptação) evaporação infiltração zona de aeração ou zona não saturada percolação escoamento superficial fluxo ascendente lençol freático zona saturada rocha de origem escoamento sub-superficial Bacia Hidrográfica unidade hidrológica delimitada pelos divisores de água supõe-se um único ponto de saída (divisores de água superficial = subsuperficial) mas como estudar os processos hidrológicos dentro de uma bacia? Discretização Espacial Discretização em Sub-bacias 3 Sub1 1 Sub2 represa 2 Sub3 Sub4 4 saída vários níveis de subdivisão da bacia Discretização em Grade Regular fácil representação e manipulação topologia implícita correspondência com dados matriciais não consideram linhas de fluxo naturais problemas com sub e super-amostragem Discretização em Elementos Irregulares elemento “mais naturais” estrutura de dados complexa polígonos irregulares topologia Relações Topológicas Dinâmica de Água no Solo zona de aeração zona de aeração lençol freático zona saturada área fonte qi zona saturada KS(z) = K0 exp(-fz) z KS Dinâmica de Água no Solo KS(z) = K0 exp(-fz) zona de aeração índice topográfico (similaridade hidrológica) zona saturada zi z IT IT f zi 0 saturado zi 0 déficit Dinâmica de Água no Solo s r Ks profundidade do solo 0 lençol freático Dinâmica de Água no Solo profundidade do solo 0 lençol freático Dinâmica de Água no Solo qv Lei de Darcy Equação de Richards qv t z 0 profundidade do solo qv K 1 z qv qv lençol freático Dinâmica de Água no Solo Lei de Darcy Equação de Richards qv t z 0 profundidade do solo qv K 1 z lençol freático SASHI SASHI Hidrografia da Bacia do Rio Corumbataí Bacia do Rio Piracicaba Área de Estudo SASHI Importação MNT Importação Drenagem Importação Solos Importação Vegetação Importação D. Climát. Identificação Pontos de Sela Ordenação Segmentos Definição Parâmetros Definição Parâmetros Definição Parâmetros Detecção Automática Bacias Hidrográficas Cálculo Índice Topográfico Análise Morfométrica Compatibilização Dados Auxiliares Determinação Linhas de Fluxo Simplificação Linhas de Fluxo Definição Perfil de Umidade Inicial Definição Elementos Irregulares Simulação Hidrológica Cálculo Atributos Básicos Análise dos Resultados SASHI Importação MNT Importação Drenagem Importação Solos Importação Vegetação Importação D. Climát. Identificação Pontos de Sela Ordenação Segmentos Definição Parâmetros Definição Parâmetros Definição Parâmetros Detecção Automática Bacias Hidrográficas Cálculo Índice Topográfico Análise Morfométrica Compatibilização Dados Auxiliares Determinação Linhas de Fluxo Simplificação Linhas de Fluxo Definição Perfil de Umidade Inicial Definição Elementos Irregulares Simulação Hidrológica Cálculo Atributos Básicos Análise dos Resultados SASHI detecção de pontos de sela SASHI Importação MNT Importação Drenagem Importação Solos Importação Vegetação Importação D. Climát. Identificação Pontos de Sela Ordenação Segmentos Definição Parâmetros Definição Parâmetros Definição Parâmetros Detecção Automática Bacias Hidrográficas Cálculo Índice Topográfico Análise Morfométrica Compatibilização Dados Auxiliares Determinação Linhas de Fluxo Simplificação Linhas de Fluxo Definição Perfil de Umidade Inicial Definição Elementos Irregulares Simulação Hidrológica Cálculo Atributos Básicos Análise dos Resultados SASHI 1 1 1 2 2 1 ordenação da drenagem 1 3 1 1 1 3 1 3 2 2 2 2 1 4 2 1 1 1 1 1 1 2 1 4 Strahler 1 SASHI Importação MNT Importação Drenagem Importação Solos Importação Vegetação Importação D. Climát. Identificação Pontos de Sela Ordenação Segmentos Definição Parâmetros Definição Parâmetros Definição Parâmetros Detecção Automática Bacias Hidrográficas Cálculo Índice Topográfico Análise Morfométrica Compatibilização Dados Auxiliares Determinação Linhas de Fluxo Simplificação Linhas de Fluxo Definição Perfil de Umidade Inicial Definição Elementos Irregulares Simulação Hidrológica Cálculo Atributos Básicos Análise dos Resultados SASHI ... detecção de bacias SASHI detecção de bacias expansão “morro acima” SASHI detecção de bacias expansão “morro acima” determinação dos limites entre sub-bacias SASHI detecção de bacias expansão “morro acima” determinação dos limites entre sub-bacias poligonalização das sub-bacias SASHI detecção de bacias SASHI Importação MNT Importação Drenagem Importação Solos Importação Vegetação Importação D. Climát. Identificação Pontos de Sela Ordenação Segmentos Definição Parâmetros Definição Parâmetros Definição Parâmetros Detecção Automática Bacias Hidrográficas Cálculo Índice Topográfico Análise Morfométrica Compatibilização Dados Auxiliares Determinação Linhas de Fluxo Simplificação Linhas de Fluxo Definição Perfil de Umidade Inicial Definição Elementos Irregulares Simulação Hidrológica Cálculo Atributos Básicos Análise dos Resultados SASHI análise morfométrica SASHI Importação MNT Importação Drenagem Importação Solos Importação Vegetação Importação D. Climát. Identificação Pontos de Sela Ordenação Segmentos Definição Parâmetros Definição Parâmetros Definição Parâmetros Detecção Automática Bacias Hidrográficas Cálculo Índice Topográfico Análise Morfométrica Compatibilização Dados Auxiliares Determinação Linhas de Fluxo Simplificação Linhas de Fluxo Definição Perfil de Umidade Inicial Definição Elementos Irregulares Simulação Hidrológica Cálculo Atributos Básicos Análise dos Resultados SASHI mínima distância mínimo ângulo perpendicular linhas de fluxo mínima distância com restrição angular de 30o SASHI linhas de fluxo SASHI linhas de fluxo SASHI Importação MNT Importação Drenagem Importação Solos Importação Vegetação Importação D. Climát. Identificação Pontos de Sela Ordenação Segmentos Definição Parâmetros Definição Parâmetros Definição Parâmetros Detecção Automática Bacias Hidrográficas Cálculo Índice Topográfico Análise Morfométrica Compatibilização Dados Auxiliares Determinação Linhas de Fluxo Simplificação Linhas de Fluxo Definição Perfil de Umidade Inicial Definição Elementos Irregulares Simulação Hidrológica Cálculo Atributos Básicos Análise dos Resultados SASHI l5 l4 b4 l3 l2 b3 l1 b2 <?limiar b1 ? simplificação das linhas de fluxo SASHI l5 l4 b4 l3 l2 b3 l1 b2 b1 simplificação das linhas de fluxo SASHI simplificação das linhas de fluxo limiar = 0 6233 elementos Área Relativa Acumulada Número de Elementos 1 7000 6000 0,8 5000 Limiar 0 50 100 150 200 250 0,6 4000 3000 0,4 2000 0,2 1000 0 0 0 0 0,1 50 0,2 100 0,3 1500,4 Limiar Declividade 200 0,5 250 0,6 SASHI limiar = 150 1450 elementos simplificação das linhas de fluxo SASHI Importação MNT Importação Drenagem Importação Solos Importação Vegetação Importação D. Climát. Identificação Pontos de Sela Ordenação Segmentos Definição Parâmetros Definição Parâmetros Definição Parâmetros Detecção Automática Bacias Hidrográficas Cálculo Índice Topográfico Análise Morfométrica Compatibilização Dados Auxiliares Determinação Linhas de Fluxo Simplificação Linhas de Fluxo Definição Perfil de Umidade Inicial Definição Elementos Irregulares Simulação Hidrológica Cálculo Atributos Básicos Análise dos Resultados SASHI definição dos elementos poligonalizando os elementos construindo topologia calculando atributos básicos SASHI Declividade Orientação definição dos elementos SASHI Importação MNT Importação Drenagem Importação Solos Importação Vegetação Importação D. Climát. Identificação Pontos de Sela Ordenação Segmentos Definição Parâmetros Definição Parâmetros Definição Parâmetros Detecção Automática Bacias Hidrográficas Cálculo Índice Topográfico Análise Morfométrica Compatibilização Dados Auxiliares Determinação Linhas de Fluxo Simplificação Linhas de Fluxo Definição Perfil de Umidade Inicial Definição Elementos Irregulares Simulação Hidrológica Cálculo Atributos Básicos Análise dos Resultados SASHI importação solos SASHI definição dos parâmetros / solos SASHI compatibilização / solos 0% 10% 20% 30% 40% 50% LRd LRd+TRe+TRd LVa1 +5% LVa2+P PVa1 PVa2 -5% R R+TRe+TRd original após compatibilização SASHI importação vegetação SASHI definição dos parâmetros / vegetação SASHI compatibilização / vegetação 0% 10% 20% 30% 40% 50% Pastagem Floresta1 Floresta2 -15% Cana1 -23% Cana2 Cana3 original após compatibilização SASHI definição dos parâmetros / clima SASHI Importação MNT Importação Drenagem Importação Solos Importação Vegetação Importação D. Climát. Identificação Pontos de Sela Ordenação Segmentos Definição Parâmetros Definição Parâmetros Definição Parâmetros Detecção Automática Bacias Hidrográficas Cálculo Índice Topográfico Análise Morfométrica Compatibilização Dados Auxiliares Determinação Linhas de Fluxo Simplificação Linhas de Fluxo Definição Perfil de Umidade Inicial Definição Elementos Irregulares Simulação Hidrológica Cálculo Atributos Básicos Análise dos Resultados Área Relativa Acumulada Área Relativa Acumulada SASHI índice topográfico ITi ai tan i 8 1 0,8 0,8 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,20 0 2 4 6 0 2 4 6 0 10 9,41 18 12 IT médio 14 =16 Índice Topográfico 8 10 12 14 elementos não associados à rede de drenagem Índice Topográfico elementos associados à rede de drenagem 16 18 SASHI IT IT zi z f zi 0 saturado zi 0 déficit 20 f 1, z 8,5 15 0,8 f 2, z 8,5 0,6 5 f 2, z 3 0,4 10 0 0,2 f 1, z 3 0 -5 -10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Índice Topográfico Profundidade do Lençol Freático (m) Ks(z) = K0 exp(-fz) Área Relativa Acumulada 1 definição do lençol freático SASHI umidade volumétrica (cm3 cm-3) profundidade relativa z 0,15 0,0 0,20 0,25 0,30 0,35 inicialização da umidade do solo potencial de água (m) 0,40 -30 -20 -10 0 superfície 0,2 0,4 0,6 30 1 z 0,8 30 1 z 2 lençol freático 1,0 seco saturado seco saturado SASHI inicialização da umidade do solo potencial de água no solo profundidade relativa -30 0,0 -20 -10 0 -30 0,0 0,2 0,2 0,4 0,4 0,6 0,6 -20 -10 0 0,8 elemento qualquer 1,0 elemento com profundidade máxima do lençol freático SASHI disponibilidade inicial de água 0,8 0,6 0,4 0,2 SASHI Importação MNT Importação Drenagem Importação Solos Importação Vegetação Importação D. Climát. Identificação Pontos de Sela Ordenação Segmentos Definição Parâmetros Definição Parâmetros Definição Parâmetros Detecção Automática Bacias Hidrográficas Cálculo Índice Topográfico Análise Morfométrica Compatibilização Dados Auxiliares Determinação Linhas de Fluxo Simplificação Linhas de Fluxo Definição Perfil de Umidade Inicial Definição Elementos Irregulares Simulação Hidrológica Cálculo Atributos Básicos Análise dos Resultados SASHI Ep Eint P modelo hidrológico Eint max k IAF Es IAF esi+1 Pl P Eint 1 1 K1 U1 nó 1 Ep 2 2 K2 U2 nó 2 Pl qli-1 n-1 n-1 K n-1 U n-1 n n Kn Un qd nó n-1 nó n (1 rd / ra ) rd qli+1 . . . l c p Dv / ra re IAFef IAFef re re min . f R . f e . f s IAF 0,3IAF 1,2 f ri 1 i min E pi E p i f ri 1 i min SASHI Ep Eint P modelo hidrológico Eint max k IAF Es IAF esi+1 Pl P Eint 1 1 K1 U1 nó 1 Ep 2 2 K2 U2 nó 2 Es Pl qli-1 qli+1 . . . n-1 n-1 K n-1 U n-1 n n Kn Un qd nó n-1 nó n l c p Dv / ra (1 rd / ra ) ls c p Dv / ras (1 rs / ras ) qli i Ksi m qd Kn SASHI qv S ( ) t z qv K Equação de Richards z Lei de Darcy dinâmica da água no solo U K d m Transformação de Kirchhoff U K S ( ) t z z 1 1 Fi qit0,5 qit0,5 ei Si ( ) 0 t 1 i 0,5 q t 1 i 0,5 K Uit11 Uit 1 z fi ei ( it 1 it ) zci t 1 Kit0,5 Kit 1Kit11 SASHI 1 1 Fi qit0,5 qit0,5 ei Si ( ) 0 solução de Newton-Raphson F [ F ] [ ] [ t 1 ] [ t ] [ ] dinâmica da água no solo SASHI Variável Variável 100 umidade volumétrica de saturação r umidade volumétrica residual * s 10 1 C=11 * c * 1 1 1 C ln C (C 1) K* K Ks K * 2 C 1 C U* U K s c U* C 1 K * C C=2,0 Ks conditividade hidráulica (saturado) c índice de capilaridade C 0 de estrutura 0,2 0,4 do solo 0,6 índice 0,1 0,01 0,8 1 FunçãoFunção r s r C=1,001 C=1,01 C=1,1 modelo BW c * s r C 2 * C K * K c * K s K * (C 1)(2C ) 3 * C (C ) 0,2 0,000 0 12 0,080 0,060 10 8 6 0,040 0,020 4 2 1/4/1995 1/3/1995 1/2/1995 1/1/1995 1/12/1994 1/11/1994 1/10/1994 1/9/1994 1/8/1994 1/7/1995 17/07/95 1/7/1995 1/6/1995 14 28/05/95 1/6/1995 16 1/5/1995 18 0,120 1/5/1995 1/4/1995 08/04/95 1/2/1995 17/02/95 1/3/1995 29/12/94 1/1/1995 1/12/1994 0,4 1/11/1994 09/11/94 0,6 20/09/94 1/10/1994 0,8 1/9/1994 -1 dia ) 20 1/8/1994 01/08/94 -2 0,100 Radiação Líquida (MJ m -2 -1 Radiação Líquida (MJ m dia ) água disponível precipitação (m) SASHI simulação hidrológica 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 SASHI água disponível simulação hidrológica 2 simulações foram testadas: IAF = 1 IAF = 4 0,8 0,6 0,4 0,2 1/7/1995 1/6/1995 1/5/1995 1/4/1995 1/3/1995 1/2/1995 1/1/1995 0,007 1/12/1994 1/7/1995 1/6/1995 água disponível (m) 1/5/1995 1/4/1995 1/3/1995 1/2/1995 1/1/1995 1/12/1994 1/11/1994 1/10/1994 0,008 1/11/1994 0,8 1/9/1994 0,009 1/10/1994 0 1/9/1994 0,9 1/8/1994 0,001 1/8/1994 evapotranspiração (m) SASHI simulação hidrológica IAF = 1 IAF = 4 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 SASHI água disponível IAF = 1 IAF = 4 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 simulação hidrológica 1/7/1995 1/6/1995 1/5/1995 1/4/1995 1/3/1995 1/2/1995 1/1/1995 0,007 1/12/1994 0,008 1/11/1994 0,009 1/10/1994 1/9/1994 1/8/1994 0 água disponível (m) 1/7/1995 1/6/1995 1/5/1995 1/4/1995 1/3/1995 1/2/1995 1/1/1995 1/12/1994 1/11/1994 1/10/1994 1/9/1994 1/8/1994 -1 evapotranspiração (m dia ) SASHI simulação hidrológica IAF = 1 IAF = 4 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 SASHI ago/set/out 1,0 nov/dez/jan fev/mar/abr IAF = 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 IAF = 4 simulação hidrológica mai/jun/jul Considerações Finais discretização em elementos irregulares detecção de sub-bacias simulação e análise escoamento superficial exportação de resultados definição de fluxo ascendente abaixo do perfil
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