MMC44 - Modelagem e Simulação Computacional em
Recursos Hídricos
Modelos Chuva-Vazão
Introdução
Prof. Benedito C. Silva
Adaptado de Prof. Carlos Ruberto Fragoso Júnior
Modelos chuva-vazão - Introdução

Podem ser divididos em:

Simples
Apenas chuva e vazão

Complexos
Chuva, infiltração,
interceptação, água no
solo, percolação,
escoamento superficial,
escoamento subsuperficial, escoamento
em rios,
evapotranspiração, papel
da
vegetação
Modelos chuva-vazão simples

O método racional
Ci  A
Qp 
3,6
Qp = vazão de pico (m3/s)
C = coeficiente de escoamento do método racional (não confundir)
i = intensidade da chuva (mm/hora)
A = área da bacia (km2)
Apenas vazão máxima; não calcula volume nem forma do hidrograma
- Aplicado para pequenas bacias
- Eventos simples
- Avaliações preliminares
Modelos chuva-vazão mais complexos

Principal objetivo original: estender séries de
vazão no tempo e no espaço usando dados
de precipitação.
Novos objetivos chuva-vazão









Mudanças de clima
Mudanças de vegetação
Mudanças de uso do solo
Base para modelos de qualidade de água com fontes pontuais e
difusas
Base para modelos de transporte de sedimentos
Estimativas de hidrogramas de projeto considerando PMP
Acoplamento com modelos atmosféricos
Previsão de vazão em tempo real com base na chuva observada
e prevista
Auxiliar entendimento dos processos: testar hipóteses
Histórico dos modelos




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

Final da década de 50 e 60 : modelo SSARR e Stanford
Modelos MITCAT e outros
a busca de eficiência com poucos parâmetros
modelos distribuídos com células
GIS e a informação distribuída;
modelos de grandes bacias;
problemas de escala
definição do problema, objetivos e escala de resposta
Usos dos modelos Chuva-Vazão





Comportamento dos sistemas hidrológicos
análise de consistência e preenchimento de
séries hidrológicas
previsão em tempo real
dimensionamento e planejamento
avaliação do impacto do uso do solo e
modificações do sistema hídrico
Classificação de modelos



Quanto à descrição do processo
Quanto à discretização espacial
Quanto à extensão temporal
Tipos de modelos quanto à descrição
dos processos

Data driven (baseados em dados)


Process driven (baseados em processos)


O que interessa é a entrada e a saída. Podem ser
modelos black-box ou modelos conceituais simples,
concentrados.
Descrevem os processos intermediários com detalhe.
Intermediários

Aprofundam a descrição de alguns processos mas são
relativamente simplificados em outros.
Modelos detalhados – Process driven

O exemplo mais clássico de um modelo
hidrológico realmente detalhado é o modelo
SHE (Sistema Hidrológico Europeu).
Proposta SHE

Um modelo hidrológico que utiliza todo o
conhecimento teórico disponível, de forma
mais completa possível.
Proposta SHE






Escoamento superficial: Equação de difusão em duas
dimensões sobre o terreno.
Escoamento em canais: Equações de Saint-Venant completas.
Escoamento subterrâneo: Equação de Darcy e de continuidade
resolvida em duas dimensões.
Escoamento sub-superficial: Equação de escoamento em meio
poroso não saturado em uma dimensão (vertical) para cada gridcell.
Infiltração: método hortoniano.
Evapotranspiração: Equação de Penman-Monteith.
Decepção com modelo SHE



Apesar de toda a complexidade, resultados não são
necessariamente melhores.
Exige uma quantidade de dados que nem sempre
está disponível.
Dependendo da escala em que os dados são
obtidos e da escala em que o modelo é aplicado
pode ser necessária a calibração dos parâmetros:

valores efetivos dos parâmetros diferentes dos valores
medidos no campo.
Modelos baseados em dados
(data driven)



Modelos black-box (caixa preta)
Modelos de redes neurais.
Modelos função de transferência simples.
De forma geral, este tipo de modelo não é tema desta disciplina.
Modelos intermediários ou conceituais


Usam a equação da continuidade, associada a uma
ou mais equações empíricas.
Quase todos os modelos chuva-vazão mais
conhecidos se encaixam nesta categoria:






IPH2
Topmodel
Stanford
MODHAC
SMAP
PDM
Classificação quanto à discretização
espacial da bacia



Concentrado
Distribuído por sub-bacias
Distribuído por módulos
Modelos Precipitação-Vazão

Características dos modelos
Discretização das bacias : concentrado; distribuído por bacia;
distribuído por célula
Modelos semi-distribuídos

Modelos concentrados aplicados em subbacias unidas por uma rede de drenagem
são, às vezes, denominados modelos semidistribuídos.
Distribuídos x concentrados

Vantagens distribuído



incorpora variabilidade da
chuva
incorpora variabilidade das
características da bacia
permite gerar resultados
em pontos intermediários

Vantagens concentrado



mais simples
mais rápido
mais fácil calibrar
Dados de entrada de modelos chuva
vazão



Precipitação
Vazão (sempre que o modelo tenha que ser
calibrado)
Evapotranspiração


evaporação de tanque
variáveis meteorológicas





temperatura
umidade relativa
radiação solar
pressão atmosférica
velocidade do vento
Quanto à extensão temporal

Eventos




Hidrologia urbana
Eventos observados ou cheias de projeto
Em geral pode-se desprezar evapotranspiração
Séries contínuas



Representar cheias e estiagens
Volumes, picos, recessões
Evapotranspiração deve ser incluída
Estrutura de modelos concetrados e
distribuídos
Estrutura básica
módulo bacia
módulo rio, reservatório
rio
Módulo bacia
Geração de escoamento
bacia
reservatório
Módulo rio
Propagação de escoamento
Runoff production and runoff routing


O limite entre um e outro é difícil definir.
Modelos concentrados tem 2 módulos:



geração de escoamento
propagação de escoamento
Modelos semi-distribuídos têm 3 módulos:



geração de escoamento
propagação de escoamento interno à sub-bacia
propagação de escoamento na rede de drenagem
principal, representada explicitamente
Processos do ciclo hidrológico representados em modelos
evap
chuva
Interceptação
Depressões
Infiltração
Armazenamento
no solo
Escoamento
Sub-superficial
Vazão no rio
Percolação
Armazenamento
no subsolo
Escoamento
superficial