Previsão de vazão :
modelos conceituais
Carlos E. M. Tucci
Walter Collischonn
IPH-UFRGS –[email protected]
Tucci & Collischonn - Previsão com modelos conceituais
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Conteúdo
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Tipos de previsão
Usos da previsão
Sistema de Previsão
Modelos
Critérios de atualização e avaliação
Exemplos
Benefícios e
Tendências
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Tipos de previsão
Existem várias terminologias para caracterizar a
antecedência da previsão que dependem da
antecedência da previsão da chuva, da vazão e do
usuário.
(a) Quanto a Previsão da Chuva : QPF Quantitative
Precipitation Forecasting
Nowcasting: de 0 a 3 horas de antecedência
Curto-prazo: 6 h a 24 h ou poucos dias
longo prazo: 3 a 24 meses
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Tipos de previsão
(b) Quanto a previsão da vazão: o tempo e o uso da informação
são dois fatores fundamentais.
Inundações: depende do tamanho da bacia e o objetivo
principal é obter a ocorrência de níveis no tempo. O tempo
depende da bacia como:
Flash floods: eventos que ocorrem em poucos
minutos ou horas e somente pode ser realizada com
base em previsão de chuva nowcasting;
Cheias em médias e grandes bacias: podem
depender da previsão da precipitação ou apenas do
que é observado na bacia (chuva e vazão)
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Tipos de previsão
Previsão contínua no tempo: para operação de
sistemas hídricos como navegação, energia, irrigação e
abastecimento. Depende de valores instantâneos e de
volume de houver reservatórios.
(c ) Quanto as variáveis de entrada e do sistema:
com previsão de chuva: integra modelo de previsão
de chuva e de vazão;
com base na medida da chuva: valores medidos de
chuva e vazão na bacia;
com base em níveis nos rios
combinação dos anteriores
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Modelo Previsão de chuva + Modelo de
Previsão de vazão
Modelo Precipitação Vazão
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Previsão com dados somente
dentro dos rios: propagação
Modelo Previsão de chuva +
propagação
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Necessidades dos Usuários
• O sistemas foram projetados com princípios de estatísticos de
séries estacionárias;
• Devido a alteração do uso do solo, demanda de água,
mudança e variabilidade climática as séries não são
estacionárias, aumentando a incerteza do projetos e da usa
operação;
• Uma da técnicas utilizadas para minimizar as incertezas é a
previsão de vazão de curto e longo prazo.
• Em curto prazo é possível atuar na operação e na previsão de
longo prazo à nível de planejamento.
• Exemplos - (a) previsão da disponibilidade hídrica para
produção de energia no setor elétrico brasileiro antes do
período chuvoso. (b) previsão de temperatura que regula o
mercado de commodities e de energia (existe hedge baseado
na temperatura).
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Formulação Estratégica
Monitoramento
Hidrológico
Monitoramento
climático
Processos
Hidrológicos
Previsão de
curto Prazo
Desastres
Naturais
Agriculura
Processos de
Clima e Tempo
Sistemas físicos:
geologia, solo, etc
Previsão de
longo prazo
Energia
Navigação
Predição
Meio Ambiente
Inforação
Processos
Avaliação
Redução da
Vulnerabilidade
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Sistema de Previsão
Centro de Previsão
Processamento
dos dados
Modelo para
previsão
Avaliação para
alerta
Defesa Civil
Programas
Preventivos
Alerta aos
sistemas
Alerta a
população
Remoção da população e
atendimento de emergência
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Modelos
• Principal classificação é entre modelos empíricos
e conceituais;
• Modelos empíricos envolvem os baseados em
conceitos estatísticos (estocásticos) e outros
modelos empíricos que não relacionam
conceitos físicos entre as variáveis (séries de
fourier, ajuste de funções matemáticas)
• Modelos conceitos: procuram estabelecer
relações físicas entre as variáveis.
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Vantagens e desvantagens
• Modelos empíricos permitem uma atualização
com mais parcimônia permitindo boa estimativa
para antecedência pequenas;
• Modelos conceituais possuem maior dificuldade
para atualização, mas permitem maior
confiabilidade para cenários em intervalos
diferentes do ajuste e podem ter desempenho
melhor para antecedências maiores.
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Modelos Conceituais
• Modelos Atmosféricos: Com base nas condições
iniciais do tempo permitem estimar a
precipitação com antecedência de horas, dias e
mesmo meses
• Modelos Hidrológicos: Com base na Precipitação
permitem estimar a vazão e níveis nos rios. Este
modelo pode ter dois módulos: Chuva – vazão e
vazão – vazão em rios;
• Modelos de Operação: Operação dos sistemas.
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ENTRADA
S
Previsão
QPF
de chuva
Dados
Rede
pluviométrica
históricos
Rede
Dados
fluviométrica
Seções
transversais
físicos
MODELOS
SAÍDAS
Modelos
Ajuste do
Atmosmodelo de
previsão
féricos
de chuva
Chuva
Previsão
de chuva
prevista
em tempo real
Modelo
Ajuste do
modelo
Hidrolóde previsão
de vazão
gico
Vazão
Previsão
de vazão
prevista
Modelo
Atmosférico
Modelo
Hidrológico
Características
Estados
do
sistema
Simulação da
operaçãol
operação
Modelo
BALANÇO
HÍDRICO
balanço
• • Variáveis
Volume
de espera
Operacioem tempo real
• • Vazões
nais
Modelo de
operação
defluentes
• • Níveis
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Modelos Hidrológicos conceituais
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Modelo distribuído
OVERVIEW OF MGB-IPH MODEL
PCi
ETi,j
Cell i
EIi,j
Pi,j



Wm



Model grid cells
Dsup i,j



Wi, j 



Qsup
Qsub
Qbas
Dint i,j
Dbas i,j
River
channel
Cell
downstream
of cell i
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Discretização
Bacia do Rio Grande: Divisão e células 0.1º x 0.1º (~10x10km.
~10 km
~10 km
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Bacias onde o
modelo foi aplicado
no Brasil
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Atualização
Entradas
Modelo
Saídas
Pt, Qt θi
F[ Pt,Qt, θi]
Q(t+dt)
Módulo de
Simulação
Intervalo de
Tempo
Atualização
de parâmetros
e variáveis
Observação
Q(t+dt)
Módulo adaptativo
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Alternativas de atualização
1. Modelo empírico para representar os
resíduos e atualizar o modelo empírico
com os dados que chegam;
2. Revisar o ajuste dos parâmetros na
medida que chegam novos dados;
3. Atualizar variáveis de estado, como
armazenamentos
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Exemplo
• Em cada local com medidas existirão Qcalc e Qobs;
• A vazão de cada reservatório subterrâneo é atualizado
com base no valor observado por ponderação cálculo do
reservatório subterrâneo durante a estiagem
Qupi , p = FCAp ⋅ Qcalci ⋅ (Ai Ap )
ebac
[
+ Qcalci ⋅ 1 - (Ai Ap )
ebac
]
FCA = ∑Qobs/ ∑Qcalc
Ap = área do posto com dados
Ai = área do posto em correção
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Avaliação
• As estatísticas de avaliação
dependem dos objetivos da
previsão
• Para cheias o valor de cada
previsão é essencial;
• Para reservatórios o volume é
fundamental.
• O uso dede R2 é tendencioso,
da mesma forma que períodos
longos
• R2 deve ser ajustado para
cálculo comparativo ao
melhor modelo alternativo
Volume e recessão podem ser
bons, mas o início e a diferença
de cada valor são ruins
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Exemplos
• Curto prazo: previsão de vazão com ETA +
modelo distribuído de grandes bacias para
Água Vermelha (rio grande) com
antecedência de até 14 dias ;
• Longo Prazo: Modelo Global Ceptec com
correção estatística + modelo hidrológico
par reservatório de Furnas com
antecedência mensal
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SHORT-TERM FLOW FORECAST (at Água Vermelha reservoir)
Forecast time
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LONG-TERM FLOW FORECAST (at Furnas reservoir)
Observed
Average value of ensemble flow forecast
Range of ensemble flow forecast
Forecast time
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Benefícios
Operação com e sem previsão em Três Marias, São Francisco River
Entrada
Sem previsão
Previsão Perfeita
Previsão com
modelo
ETA+MGB
Mean power
(MWmed)
240,8
244,1
242,6
DBenefits
DPow (%)
US$millões/ano
1,39
0,88
0,74
0,47
Uso de modelo de otimização algoritmo genético
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Tendências
• Uso de “ensemble” de condições iniciais e
de modelos;
• Melhoria de integração entre modelos
climáticos e hidrológicos
• Aprimoramento da atualização
• Estimativa de chuva por satélites.
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•Simulação no rio Tapajós com ½ Milhões de km2
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