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DIRECÇÃO DE SERVIÇOS DE RECURSOS HÍDRICOS

SNIRH - Sistema Nacional de Informação de Recursos Hídricos

Modelação de Cheias apoiada em Sistemas de Informação Geográfica

Joaquim Pinto da Costa ([email protected]); Rui Rodrigues ([email protected]); Claudia Brandão ([email protected])

Documento elaborado para o Mês da informação sobre a água

Sessão "Fenómenos extremos (Cheias, Secas e Desertificação)" - 1 de Março 2000

mailto:[email protected]



Resumo

Este documento descreve o trabalho que a Direcção de Serviços de Recursos Hídricos do INAG tem desenvolvido nos últimos dois anos relativo à modelação cheias apoiada em Sistemas de Informação Geográfica (SIG).

Descreve os dados necessários, seu processamento e as várias etapas da modelação de cheias apoiada em SIG.

Apresenta o modelo de precipitação escoamento usado "Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Modeling System" (HEC-HMS).

Mostra alguns dos resultados já obtidos para sistemas hidrológicos considerados prioritários:

Gamitinha (Sado);

Sorraia;

Águeda;

Zêzere.

Modelação de cheias apoiada em SIG

Perante a necessidade de modelar um determinado sistema hidrológico, teremos antes de mais de o "conhecer". Qualquer que seja a metodologia usada no processo, será necessário:

Delimitar a região a modelar para que posteriormente a possamos caracterizar fisicamente;

Obter a cartografia e as séries de dados necessárias à caracterização da zona e da cheia a modelar.

Tradicionalmente, a recolha dos dados necessários à aplicação de modelos hidrológicos ou hidráulicos, como o HEC-1 ou o HEC-RAS, implicava num moroso trabalho manual de pré-processamento a partir de fontes variadas desde mapas analógicos, a séries temporais de precipitação e caudal.

A popularização dos SIG e o aumento da quantidade e qualidade da cartografia digital disponível permitiu a vários autores a integração de modelos hidrológicos em SIG.

O grau de integração varia desde a utilização do SIG como uma mera ferramenta de gestão de dados até relação verdadeiramente sinergética em que o SIG fornece serviços ao modelo hidrológico e vice-versa.

Este tipo de aproximação permite, ao contrário das técnicas tradicionais, gerar inputs consistentes, acelerar o processo de modelação e melhorar a precisão do mesmo.

Admitindo que a topografia determina a direcção do escoamento superficial e o princípio da conservação da massa num curso de água (não aplicável a regiões cársicas)., poderemos usar um modelo digital de terreno (MDT) como ponto de partida para a construção de um modelo hidrológico.

Jensen e Domingue (1988) e Jensen (1991) desenvolveram uma metodologia que permite a partir de um MDT delimitar automaticamente bacias e cursos de água.

Outros autores basearam-se nesta metodologia usando SIG para efectuar o pré-processamento e recolha dos dados necessários à parametrização de modelos hidrológicos. É assim possível a partir de um MDT:

DIRECÇÃO DE SERVIÇOS DE RECURSOS HÍDRICOS 1

Delimitar automaticamente bacias hidrográficas e cursos de água;

Classificar linhas de água;

Cálcular parâmetros de entrada de modelos hidrológicos tais como, área e perímetro, declive, comprimento e tempo de concentração e de resposta (lag) de cada bacia.

Existem várias aplicações comerciais que permitem aplicar este tipo de processamento a um MDT. No presente trabalho utilizou-se o "ArcView" (www.esri.com) com a extensão "Spatial Analyst", adaptando ou desenvolvendo vários algoritmos de cálculo de forma a poder gerar automaticamente os ficheiros de entrada do modelo. A geração destes ficheiros de entrada foi feita adaptando a metodologia proposta por Olivera et. al. (1998, http://www.ce.utexas.edu/prof/olivera/esri98/p400.htm).

Dados base

Cartografia digital

A escala da cartografia influencia a precisão com que se podem delimitar as bacias hidrográficas e respectiva rede de drenagem. Deverá assim escolher-se uma escala adequada aos objectivos da modelação. A Tabela 1. apresenta cartografia base utilizada.

Tabela 1 – Cartografia digital usada pelo INAG na modelação hidrológica de cheias

Temas Base Produtor Escala Tipo

Modelos Digitais de Terreno

Instituto Geográfico do Exército (www.igeoe.pt) processadas pelo INAG a partir dos pontos cotados, rede hidrográfica e curvas de nível (www.inag/snirh/download/fernandes98.zip).

1:25 000 Raster

Rede Hidrográfica

Linhas de Água produzidas pelo IgeoE processadas pelo INAG

1:25 000 Vectorial

Números de Escoamento para Portugal Continental

Produzido pelo INAG a partir das cartas:

tipo geológico do solo 1:1000000 (www.dga.min-amb.pt)

uso do solo 1:100000 (www.cnig.pt) Tabela de relação elaborada por Lobo-Ferreira (LNEC, 1993)

1:500 000 Raster

Séries de tempo

Para além da cartografia acima enumerada, utilizada na parametrização do modelo, é ainda necessário obter as séries de precipitação do evento a simular e, se pretendermos calibrar o modelo obtido, dispor das séries de caudal para esse mesmo evento em tantas secções da rede hidrográfica quantas as disponíveis.

A partir da análise preliminar da área a modelar, feita através do SIG, podemos identificar os potenciais postos da rede hidrométrica e climatológica a usar, temos duas alternativas para obter as respectivas séries de tempo (ver Figura 1).

Se se tratar de uma cheia histórica acedemos às séries de tempo do SNIRH, via Internet ou Intranet e descarregamos as séries pertinentes;

Se se tratar de uma cheia para modelar em tempo real acedemos aos dados do Sistema de Vigilância e Alerta de Recursos Hídricos (SVARH) e descarregamos as séries respectivas.


http://www.esri.com/

http://www.ce.utexas.edu/prof/olivera/esri98/p400.htm

http://www.igeoe.pt/

http://www.inag/snirh/download/fernandes98.zip

http://www.dga.min-amb.pt/

http://www.cnig.pt/

SNIRH - Séries históricas SVARH - Séries em tempo real

Figura 1 – Obtenção de séries de tempo

Processamento

O trabalho de modelação começa pela utilização de um SIG para delimitar, ainda que nesta fase grosseiramente, a zona em estudo e assim determinar quais as bases cartográficas do SNIRH a usar, identificar postos relevantes da rede hidrométrica e climatológica, identificar as estruturas hidráulicas, tais como barragens e canais, etc. A Figura 2 exemplifica esta etapa para a bacia hidrográfica do Sorraia.

Figura 2 – Selecção das bases cartográficas para a bacia hidrográfica do Sorraia

Após a identificação das bases cartográficas a usar no estudo, acede-se a um dos servidores cartográficos do SNIRH e transferem-se as cartas digitais necessárias (ver Tabela - 1).


A estrutura cartográfica do SNIRH adopta uma organização por escalas e temas. Cada escala é classificada tematicamente usando termos padrão definidos por "thesaurus", a Figura - 3 mostra a estrutura de directórios do SNIRH cartografia.

Figura 3 – Estrutura do SNIRH para cartografia

Uma vez na posse de toda a cartografia base necessária podemos dar início ao processamento da mesma.

Existem duas fases distintas do processamento. A primeira, mais morosa para o operador, visa preparar um MDT "hidrologicamente correcto", a segunda usa esse MDT para efectuar todos os cálculos necessários para gerar um ficheiro de parametrização do modelo hidrológico, esta fase requer pouca intervenção humana mas poderá ser computacionalmente "pesada" para bacias hidrográficas de maior dimensão.

Fase 1 - Produção de um MDT hidrologicamente correcto

A primeira etapa consiste em agrupar as várias cartas respeitantes ao MDT e rede hidrográfica da zona em estudo num único MDT e numa única rede hidrográfica.

Para facilitar esta e as restantes tarefas de processamento, que a seguir se descrevem, a DSRH tem vindo a desenvolver uma extensão para "ArcView" que acrescenta à interface standard do programa uma série de menus e botões que facilitam bastante este processamento, ver Figura 4.


Figura 4 – Extensão "INAG Hidrologia" e agrupamento do MDT e rede hidrográfica


Temos então como base de partida para o processamento no SIG dois temas principais, o MDT e a hidrografia da zona.

A hidrografia em formato digital à escala 25 000, tal como é presentemente fornecida pelo IGeoE, consiste numa amálgama de linhas. Contudo, graças a dois códigos numéricos existente na tabela associada, é possível separar este "espaguete" em:

Pântano, arrozal, marinha, lagoa, albufeira [Lv] = 51

Vala normal, larga e estreita [Lv] = 52

Rios de dupla linha de 1a e 2a ordem (([Lv] = 53) e ([Wt] = 4))

Rios de linha simples 1a e 2a ordem (([Lv] = 53) e ([Wt] = 5))

Linhas de água peso 3 ([Lv] = 54) e ([Wt] = 3)



Com a separação, feita automaticamente pela extensão atrás referida, ganha-se bastante em legibilidade e a figura apresentada retracta isso mesmo, contudo o pior ainda está para vir visto que para termos uma rede hidrologicamente correcta o trabalho que se segue é principalmente manual e pode ser extremamente moroso.

Figura 5 – Processamento da rede hidrográfica


Para além de um ou outro erro que sempre existe em cartografia deste tipo e a esta escala existem três grandes categorias de problemas que não constituem erros cartográficos mas apenas "erros hidrográficos":

Por vezes não existe continuidade e após a Barragem (Montargil), face ao tipo de descarregador, a linha de água reaparece uns metros mais à frente.

As albufeiras são definidas como linhas e não como polígonos o que está topologicamente incorrecto.

O mesmo se passa para troços de rio definidos por dupla linha que deveriam também ser definidos por polígonos.

Figura 6 – Correcção topológica da rede hidrográfica

Na grande maioria dos casos é possível transformar automaticamente e de uma vez só as linhas que delimitam albufeiras em polígonos, embora seja quase sempre necessário fechar manualmente o polígono de uma ou outra albufeira de desenho mais complexo.

Infelizmente nos rios definidos por dupla linha passa-se o inverso e a percentagem de troços que é possível converter automaticamente em polígonos é ínfima e constitui o grosso da intervenção humana em todo esta fase de processamento.

Todo este trabalho de correcção topológica é necessário para que possamos obter a rede hidrográfica sob a forma de uma "GRID" unitária (ver Figura 7), indispensável para que possamos gerar um MDT hidrologicamente correcto.


Figura 7 – GRID unitária da rede hidrográfica

Considera-se que um MDT está "hidrologicamente correcto" se qualquer gota de água que caia dentro da bacia hidrográfica consiga, apenas com base nas cotas do terreno, encontrar o caminho correcto até á foz, entendendo-se por caminho correcto o caminho que siga os cursos de água da bacia, ou seja, considera-se que a rede hidrográfica levantada pelo IGeoE como sendo a "verdade absoluta" e obriga-se o MDT a "concordar" com essa rede hidrográfica.

Para fazermos essa concordância temos duas alternativas: o chamado método "burning" ou um outro, mais elaborado, mas que acaba por dar resultados semelhantes o chamado "agree".

O "burning" das linhas de água é efectuado elevando a cota do MDT nas zonas exteriores à rede hidrográfica de um valor semelhante à cota máxima do terreno, mantendo inalterada a cota do terreno sob a rede hidrográfica.

Isto é um pouco simplista pelo que Hellweger e Maidment desenvolveram um método mais sofisticado de efectuar esta concordância, o chamado método "Agree" (www.ce.utexas.edu/prof/maidment/GISHYDRO/ferdi/research/agree/agree.html).

Após esta "concordância" teremos ainda que garantir que o MDT se encontra livre de depressões que impeçam a continuidade do trajecto da nossa gota água. Estas depressões são células ou conjuntos de células que estão rodeadas por células de altitude superior. Segundo esta metodologia, estas depressões têm de ser preenchidas para garantir a continuidade do escoamento.

Depressões verdadeiras são raras em MDT com células de dimensão superior a 10 m (Mark, 1988), excepto em zonas cársicas, e podem geralmente ser consideradas erros.


http://www.ce.utexas.edu/prof/maidment/GISHYDRO/ferdi/research/agree/agree.html


Concluída esta etapa estamos agora na posse de um MDT capaz de suportar as mais variadas análises topográficas e hidrológicas.

Fase 2 - Processamento do MDT

A Direcção de Escoamento é um conceito semelhante ao aspecto - orientação da linha de maior declive, medida no sentido directo a partir do Norte.

Existem vários algoritmos que permitem calcular a direcção de escoamento. O mais simples e mais divulgado é o desenvolvido por O'Callaghan e Mark (1984) - uma adaptação do método das 8 direcções desenvolvido por Puecker et. al. (1975), também conhecido pelo D8, que é precisamente o método que utilizamos.

Existem outros métodos mais sofisticados para determinar a direcção de escoamento que tentam resolver os problemas resultantes de discretizar a direcção de escoamento em apenas 8 direcções, separadas por 45°:

FD8, direcções de escoamento múltipals. Todas as células recebem escoamento (Grahamm Freeman);

Stream tube (Mariza Costa-Cabral);

Dinf (Tarboton)

Figura 8 – Direcção de escoamento e forma como é calculado

Uma vez determinada a direcção de escoamento é possível calcular a acumulação do escoamento. Isto é feito contando para cada célula da "GRID" (matriz) o número de células que para ela contribuem com escoamento, ou seja, o número de células a montante cujo trajecto de escoamento passa eventualmente por essa célula. O valor de cada célula representa indirectamente a dimensão da bacia de drenagem para cada ponto.

Células com acumulação de escoamento nula correspondem a linhas de cumeada e são usadas para delimitar bacias de drenagem.

Células com direcção do escoamento indefinida apenas recebem caudal e não contribuem com escoamento para jusante.

As células com um valor de acumulação de escoamento superior a um determinado valor (significa concentração de escoamento) podem ser usadas para identificar linhas de água.

Figura 9 – Acumulação do escoamento

Do ponto de vista de um SIG, um rio é um canal de drenagem do escoamento superficial gerado por precipitação.

Torna-se assim difícil, a partir de um MDT ou mesmo de levantamentos de campo, determinar qual é o valor de acumulação de escoamento necessário para iniciar uma linha de água. Isto está bem patente quando juntamos várias cartas hidrográficas à escala 1:25000, produzidas pelo IGeoE, e se torna visualmente aparente a diferença de densidades de drenagem entre cartas vizinhas. Tarboton et al. (1991) apresentam um método analítico para determinar o valor limite mais apropriado.


Já uma bacia hidrográfica é delimitada muito mais facilmente visto que tem origem num ponto determinado a partir do qual é fácil determinar todas as células que para ele contribuem com escoamento.

Temos assim várias alternativas para delimitar cursos de água e bacias de drenagem:

com base em pontos por nós determinados (ex. Estações hidrométricas, barragens);

com base num determinado limite para área de drenagem (ex. Delimitar todas as bacias de área superior a 10 Km2);

com uma combinação destes dois métodos.

Para se fazer a delimitação com base na área de drenagem, basta definir o número mínimo de células que consideramos constituírem uma bacia de drenagem. Se, por exemplo, tivermos um MDT com células de 25x25 m e indicarmos que queremos um limite mínimo 1600 células estaremos a considerar linhas de água com áreas de drenagem superiores a 1 Km2 (1600*0.025*0.025 Km2), o que na prática se traduz por considerar como um curso de água todas as células cujo valor de acumulação do escoamento seja superior a 1600.

Figura 10 – Bacias e cursos de água com áreas de drenagem superiores a 100 km2 (Sorraia)

Visto que já temos o nosso sistema hidrológico perfeitamente definido, podemos usar o SIG para calcular os mais variados parâmetros necessários ao nosso modelo de precipitação-escoamento:


Alguns dos parâmetros que podem ser calculados para bacias são:

área;

perímetro;

comprimento da bacia;

altitudes; declives;

número médio de escoamento;

percursos de escoamento;

tempos de concentração e de resposta usando vários métodos;

O tempo de concentração de uma bacia é o tempo necessário para que toda a área da bacia contribua para escoamento superficial na secção de saída, ou o tempo necessário para uma gota de água que caia no ponto hidraulicamente mais afastado da bacia chegue à secção de saída. Ou seja a distância do escoamento a dividir pela velocidade média de escoamento.

O tempo de resposta (lag) é o intervalo de tempo definido pelo instante correspondente ao centro de gravidade da precipitação útil e o instante em que se observa a ponta do hidrograma.

Em bacias de maior dimensão, ou de forma alongada, o escoamento originado nas cabeceiras da bacia chega à secção de saída quando o escoamento originado nas zonas mais baixas já passou, o que diminui significativamente o caudal de ponta, em bacias de forma circular verifica-se o oposto e o caudal de ponta tende a ser maior.

Para linhas de água podem ser calculados parâmetros como:

comprimento;

declive;

ordem da linha de água,

parâmetros de “routing”, etc.

O cálculo deste atributos para bacias e linhas de água é efectuado a partir dos vários temas produzidos sendo os resultados armazenados em formato vectorial nas tabelas associadas.

Esta vectorização tem o efeito (desejável) de gerar bacias e redes de drenagem topologicamente correctas.

No caso presente, o modelo alvo desta parametrização é o Hydrologic Modeling System do Hydrologic Engineering Center's (HEC-HMS). O ficheiro de "input" é gerado usando a metodologia desenvolvida por Maidement, Olivera, Hellweger, et. al. (1997). O ficheiro de parametrização é exportado do "ArcView" e importado directamente pelo "HMS", restando apenas importar as séries de precipitação e caudal para que o modelo esteja pronto a "correr".



Figura 11 – Vectorização, classificação de linhas de água e obtenção de parâmetros hidrológicos

Modelo HEC-HMS

O modelo HEC-HMS foi desenvolvido pelo Hydrologic Engineering Center do Corps of Engineers do exército americano como sucessor do modelo HEC-1 e disponibilizado gratuitamente via Internet:

(http://wrc-hec.usace.army.mil/software/software_distrib/hec-hms/hechmsprogram.html).

Trata-se de um modelo hidrológico determinístico e quasi - estacionário, uma vez que permite uma simulação contínua através variação dos parâmetros de transformação da precipitação em escoamento no tempo através de uma opção de "diminuíção da humidade" - mas apenas para dados matriciais tipo radar.

A versão actualmente disponível trata-se antes de mais de uma actualização ponto de vista informático, não deixando contudo de incluir novas funcionalidades hidrológicas. Ao contrário do HEC-1 que corria em DOS, o HMS necessita de sistemas operativos baseados em interfaces gráficas Windows 3.1, Windows 95, Windows NT e X-Windows. A interface foi escrita em C++ embora algumas das suas bibliotecas ainda contenham rotinas escritas em Fortran e C. O armazenamento de estruturas de dados (séries temporais, grids, inputs e outputs) recorre ao já antigo HEC-DSS (HEC Data Storage System, 1994).

Do ponto de vista hidrológico o modelo apresenta várias opções de cálculo sintetizadas na Tabela 2.

Tabela 2 – Opções de Cálculo do modelo HEC-HMS

Perdas Iniciais/Constantes;Déficit/Constantes;Green e Ampt; Número de Escoamento do Soil Conservation Service (SCS).

Transformação Clark modificado; Onda Cinemática; Hidrograma unitário de Clark; Hidrograma unitário de Snyder; Hidrograma adimensional unitário do SCS; Input do hidrograma unitário.

Escoamento base

Recessão exponencial.

Routing Lag; Muskingum; Modified Puls; Muskingum Cunge.

Precipitação Com base em grid; Com base em grid média; Importação de hietogramas; Ponderação específica de postos; Inverse distance weighting (IDW); Precipitação baseada em frequência de projecto; Precipitação baseada em frequência de projecto standard para o leste dos Estados Unidos.

O ambiente de simulação com o HEC-HMS baseia-se na representação gráfica de uma bacia representada através de vários elementos hidrológicos: sub bacia; troço de routing (routing reach); junção; reservatório não controlado; extracção; fonte e sumidouro (ver Figura 12). A bacia é simulada combinando os vários elementos numa estrutura em árvore. Sendo as simulações efectuadas com base num intervalo de tempo e passo de cálculo (constante) especificado pelo utilizador.


http://wrc-hec.usace.army.mil/software/software_distrib/hec-hms/hechmsprogram.html

Figura 12 – Aspecto gráfico do "basin editor" do HEC-HMS

Resultados

A DSRH pretende desenvolver modelos hidrológicos de precipitação escoamento para as principais bacias hidrográficas do continente, não só para modelação de cheias mas também para apoio a muitas outras actividades que lhe competem no domínio da gestão dos recursos hídricos. Era contudo necessário estabelecer prioridades relativamente às várias bacias hidrográficas e sistemas hidrológicos. Optou-se assim por dar prioridade a:

1. Sistemas a montante de aproveitamentos hidroagrícolas e hidroeléctricos;

2. Sistemas onde não haja controlo das cheias e onde essas cheias causem prejuízos.

Dos resultados que adiante se apresentam, os sistemas Gamitinha e Sorraia pertencem ao primeiro caso, visto que se tratam de sistemas que incluem importantes aproveitamentos hidroagrícolas. O Zêzere pertence também a este domínio, com a variante dos aproveitamentos serem essencialmente hidroeléctricos, tendo ainda a interessante particularidade de incluir uma zona montanhosa.

Já o caso de Águeda pertence ao segundo caso, tratando-se de um sistema onde não existem albufeiras que permitam exercer um controlo sobre o sistema. O Águeda é assim um exercício permanente de "Protecção Civil", visto que qualquer precipitação um pouco mais intensa se traduz quase sempre por alagamento da baixa de Águeda, com os consequentes prejuízos materiais.

Cheia de 5-6 de Novembro de 1997

O território português testemunhou no início do ano hidrológico de 1997/98 a ocorrência de sucessivos episódios de cheia.


Lisboa (18 de Outubro e 2 de Novembro), Madeira (19 para 20 de Outubro) e S. Miguel nos Açores foram alguns dos locais que sofreram episódios de cheia neste período.

No Alentejo, as maiores cheias ocorreram na noite de 5 para 6 de Novembro de 1997 com terríveis consequências a nível de perda de vidas.

A Figura 13 ilustra o deslocamento da depressão na origem deste fenómeno, pelo território nacional e Espanha, onde também causou grandes estragos.

Figura 13 – Deslocação da perturbação meteorológica de 5 para 6 de Novembro de 1997 ao longo da Península Ibérica

A Figura 14 foi gerada interpolando os registos udométricos diários do dia 5 de Novembro. Note-se em Sobral da Adiça, no Guadiana, já próximo à fronteira espanhola, os valores superiores a 120 mm Registe-se o facto da maior parte desta precipitação ter ocorrido entre as 18:00 e as 21:00 - cerca de 100 mm em 3 horas.


Figura 14 – Precipitação média diária de 5 de Novembro de 1977 nas bacias hidrográficas do Sorraia e Gamitinha

Para passar de uma mera descrição à quantificação do fenómeno tornava-se necessário efectuar uma simulação hidrológica que permitisse o cálculo dos hidrogramas de cheia nos locais onde o acontecimento atingiu proporções mais gravosas.

Foram assim desenvolvidos modelos hidrológicos para a bacia hidrográfica definida pela secção do Moinho da Gamitinha e para a bacia hidrográfica do Sorraia, os resultados destas simulações são apresentados na próxima secção, ver Figura 15.


Figura 14 – Zona de estudo para a cheia de 5 de Novembro de 1997

Gamitinha

Metodologia

Dos locais no Alentejo onde a cheia de 5 de Novembro de 1997 atingiu proporções mais gravosas (Figura 15), seleccionaram-se três bacias hidrográficas às quais foi aplicado um modelo hidrológico de precipitação/escoamento:

Garvão-Funcheira (sub-bacia do Sado);

Salvada(sub-bacia do Guadiana);

Sobral da Adiça (sub-bacia do Guadiana).


Figura 15 – Consequências da cheia de 5 de Novembro de 1997 (Garvão, Funcheira e Salvada)

Dado a perturbação meteorológica, na origem destas cheias, se ter propagado ao longo das cumeadas da bacia hidrográfica do Sado, foi decidido integrar a calibração da bacia de Garvão-Funcheira num sistema drenante maior, definido na secção do Moinho da Gamitinha. Foram assim desenvolvidos modelos hidrológicos de precipitação - escoamento para as seguintes secções:

Moinho da Gamitinha (2700 km2);

Sobral da Adiça (15 km2);

Salvada (5.4 Km2).

Em traços gerais a metodologia adoptada incluiu as seguintes fases:

1. Análise do terreno através do SIG, o que permitiu a delimitação automática das bacias hidrográficas e respectivas redes de drenagem;

2. Cálculo, com base na delimitação efectuada, dos parâmetros morfológicos e hidrológicos necessários ao modelo: áreas, comprimentos, declives, números de escoamento do Soil Conservation Service (SCS), tempos de concentração, parâmetros de routing, etc.

3. Geração automática dos ficheiros de entrada do modelo, a partir dos parâmetros anteriormente calculados;

4. Análise e selecção ou construção dos hietogramas a aplicar nos modelos;

5. Calibração do modelo, segundo o SCS, para a secção definida pela estação hidrométrica do Moinho da Gamitinha para a cheia de 5 de Novembro de 1997, com base nas secções onde se dispunha de hidrograma;

6. Validação da calibração efectuada para a secção da Gamitinha, aplicando os parâmetros obtidos na calibração da cheia de 5 de Novembro de 1997 à cheia de 16 de Fevereiro de 1963, quando as condições de regime hidrológico ainda não tinham sido significativamente


alteradas e quando se registou a maior cheia da bacia de 2700 km2 que drena as cabeceiras do Sado;

7. Determinação dos hidrogramas de cheia através do modelo, a partir dos parâmetros do SCS obtidos.

Dados base

Dos seis hietogramas disponíveis (Tabela 6), após análise da sua representatividade e validade face ao evento a simular, foram seleccionados três para o processo de modelação hidrológica: Vale de Camelos (Figura 16), Relíquias (Figura 17) e Roxo (Figura 18), com uma precipitação diária de 87.0, 104.5 e 85.5 (mm), respectivamente.

Tabela 3 – Hietogramas disponíveis para a cheia de 5 de Novembro de 1997

Código Nome M P Altit. (m)

Pp5 Nov. 97 (mm)

Pp6 Nov. 97 (mm)

Bacia Pp anual (mm)

27G/01 Reliquias 169007 81734 230 13.00 104.5 Sado 688.4

27H/02 B. Monte da Rocha

186430 84831 140 18.90 113.0 Sado 499.2

25J/02 Beja 223275 116542 246 106.9 Guadiana 562.6

28H/01 Ald. Palheiros

189302 71169 210 103.0 Sado 609.9

26I/02 B. Roxo 204402 107509 148 85.5 Sado 514.4

27J/03 Vale de Camelos

223346 92495 135 16.7 87 Guadiana 478

Vale de Camelos

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00

5 Nov 97

Figura 16 – Hietograma de Vale de Camelos (cheia de 5 de Novembro de 1997)


Relíquias

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00

5 Nov 97

Figura 17 – Hietograma de Relíquias (cheia de 5 de Novembro de 1997)

Roxo

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00

5 Nov 97

Figura 18 – Hietograma de Roxo (cheia de 5 de Novembro de 1997)

Para obter hietogramas ponderados para cada uma das bacias a modelar (Gamitinha, Sobral da Adiça e Salvada), utilizou-se o SIG para, a partir do mapa de isolinhas de precipitação, calcular a precipitação média diária ponderada para cada sub-bacia considerada. A taxa entre a precipitação ponderada por sub-bacia e a precipitação diária registada no posto udográfico seleccionado para


essa mesma sub-bacia foi aplicada ao respectivo hietograma. Este método permitiu construir hietogramas ponderados para cada uma das sub-bacias consideradas na modelação.

Tabela 4 – Construção dos hietogramas usados para a cheia de 5 de Novembro de 1997 no Alentejo

Identificação da bacia/sub-bacia

Hietograma Taxa (Precipitação ponderada/ Precipitação diária)

Bacia de saída f(Relíquias) 71.2/104.5

Fonte Serne f(Relíquias) 64.3/104.5

Campilhas f(Relíquias) 78.0/104.5

Bacia 1A f(Relíquias) 64.9/104.5

Bacia 1B f(Relíquias) 84.7/104.5

Bacia 1 saída f(Relíquias) 70.9/104.5

Bacia 2 f(Relíquias) 92.1/104.5

Garvão Funcheira f(Relíquias) 105.8/104.5

Monte da Rocha f(Relíquias) 104.8/104.5

Bacia 3 f(Roxo) 76.4/85.5

Bacia 4 f(Roxo) 65.9/85.5

Roxo f(Roxo) 88.8/85.5

Sobral da Adiça f(Vale de Camelos)

121.7/87 e desfasamento 2 horas

Salvada f(Vale de Camelos)

123.9/87 e desfasamento de 0.5 hora

Para a cheia de 5 de Novembro de 1997 dispunha-se dos hidrogramas em três secções da bacia do Sado: Moinho da Gamitinha (Figura 19), Barragem do Roxo e Barragem do Monte da Rocha. Foi a partir destes hidrogramas que o modelo hidrológico da bacia da Gamitinha foi calibrado.


0.0

200.0

400.0

600.0

800.0

1000.0

1200.0

1400.0

1600.0

1800.0

2000.0

2200.0

2400.0

4-11 12:00 5-11 12:00 6-11 12:00 7-11 12:00 8-11 12:00

GamitinhaQ

Figura 19 – Hidrograma observado na secção do Moinho da Gamitinha (5 Nov. 97)

Calibração

Em virtude da perturbação se ter propagado ao longo das cabeceiras do Sado as bacias das cabeceiras foram modeladas com Números de Escoamento AMCIII, enquanto as restantes foram modeladas como AMCII, ver Figura 20.

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

100.0

Baci

a sa

ida

Baci

a 1s

aida

Baci

a 1A

Baci

a 1B

Font

e Se

rne

Cam

pilh

as

Bac

ia 2

Bac

ia 3

Bac

ia 4

Gar

vao

Func

heira

Mte

da

Roch

a

Roxo

CN AMC(II) -SIG

CN-CalibradoCN AMC(III)-SIG

Figura 20 – Números de escoamento calculados pelo SIG versus números de escoamento calibrados - Moinho da Gamitinha (5 Nov. 97)


Pode observar-se a boa concordância dos números de escoamento, sobretudo para as bacias fora das cabeceiras entre os valores indicados pelo SIG e os valores ajustados após a calibração. Nas bacias de cabeceira o ajuste também é razoável e as diferenças em Monte da Rocha e Roxo podem, em parte, ser atribuídas à qualidade dos dados disponíveis.

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

Font

e Se

rne

Baci

a 1s

aida

Cam

pilh

as

Baci

a sa

ida

Gar

vao

Func

heira

Baci

a 1A

Mte

da

Roch

a

Baci

a 1B

Bac

ia 2

Bac

ia 3

Roxo

Bac

ia 4

LAG Calibrado

LAGCALIFORNIA

LAGKIRPICK

LAGSCS

Figura 21 – Tempos de Resposta (lags) calculados pelo SIG versus valores calibrados - Moinho da Gamitinha (5 Nov. 97)

Resultados

Em virtude dos anos secos anteriores, as albufeiras do Roxo, Monte da Rocha, Campilhas e Fonte Serne encaixaram a cheia, tendo a modelação sido calibrada para a secção do Moinho da Gamitinha sem a contribuição destas bacias.

Tabela 4 – Resultados da simulação para a bacia do Moinho da Gamitinha sem contribuição das principais albufeiras

Nó 3 (Gamitinha)

Q ponta calculado (m3/s) 1336

Data Q ponta calculado 06-11-1997 8:50

Descarga (mm) 43

Q ponta observado (m3/s) 1322

Data Q ponta observado 06-11-1997 8:00

Descarga observada (mm) 43

horas


Figura 22 – Hidrograma na Junção 3 (Gamitinha) sem a contribuição das principais albufeiras

Posteriormente, para avaliar a ponta de cheia que poderia ter ocorrido na secção da Gamitinha se as albufeiras referidas se estivessem ao nível de pleno armazenamento, efectuou-se nova simulação que já incluiu a contribuição destas bacias. A Figura 23 apresenta o hidrograma simulado para este cenário, destaque-se o valor de cerca de 3300 m3/s calculado pelo modelo para a secção da Gamitinha.

Figura 23 – Hidrograma na Junção 3 (Gamitinha) com a contribuição das principais albufeiras


De modo a validar a calibração efectuada para a cheia de 5 de Novembro de 1997 para a bacia hidrográfica do Moinho da Gamitinha. Aplicou-se a parametrização obtida (de Novembro de 1997) a uma situação completamente distinta, escolhendo-se a cheia de 16 de Fevereiro de 1963.

A simulação de 16 de Fevereiro de 1963 considerou a contribuição das bacias de Fonte Serne, Campilhas, Monte da Rocha e Roxo, visto que nessa data apenas a Albufeira de Campilhas se encontrava operacional e a sua contribuição para o caudal da secção do Moinho da Gamitinha poder, para este efeito, ser desprezado.

A simulação abrangeu um período das 12:00 do dia 14 às 21:00 do dia 18 de Fevereiro 1963, com um passo de cálculo de 10 minutos. A Figura 24 apresenta o hidrograma simulado e observado na secção do Moinho da Gamitinha, em termos do caudal de ponta a concordância foi excelente, respectivamente 1758 e 1745 m3/s, embora, à semelhança da simulação de Fevereiro de 1997, o pico simulado se tenha atrasado relativamente ao observado. Contudo, tendo em consideração os dados disponíveis para a calibração e as diferenças consideráveis entre os dois episódios, o modelo reproduziu o hidrograma de cheia de uma forma aceitável.

Figura 24 – Hidrograma na Junção 3 (Gamitinha) para a cheia de 16 de Fevereiro de 1963

Excepcionalidade da cheia

Estando concluída a fase de modelação tornava-se necessário determinar o grau de excepcionalidade do fenómeno considerando a bacia em estado natural, ou seja usando os hidrograma no Moinho da Gamitinha resultante do cenário que incluía a contribuição das bacias hidrográficas a montante das principais albufeiras (Figura 23).

A série de máximos utilizada compreendeu o período de 1934-35 a 1968-69 (ver Figura 25), altura em que a bacia hidrográfica definida na secção do Moinho da Gamitinha, bacia com cerca de 2700 km2, se encontrava próxima de um regime natural. Dizemos próxima porque em 1954 entrou em exploração a Barragem de Campilhas, contudo a sua fraca capacidade de armazenamento não lhe permite ter uma influencia significativa sobre o regime de caudais na Gamitinha.



Curva de Duração de Caudais na Gamitinha

0.1

1

10

100

1000

0 20 40 60 80

tempo (% do ano)

Esc

oam

ento

(h

m3)

100

34/35-52/52

53/54-66/66

67/68-86/86

Figura 25 – Curva de duração de caudais Moinho da Gamitinha

Ajustando uma distribuição de Weibull à série de caudais naturais obteve-se um período de retorno de 125 anos, semelhante ao obtido noutro estudo para a precipitação ocorrida neste mesmo período no posto de Beja (ver Figura 26).

HISTOGRAMA

0

10

20

30

40

50

60

24 684.2 1344.4 2004.6 2664.8 More

Observados

Estimados por Weibull

Q = 3325 m3/sT = 125 anos

HISTOGRAMA

0

10

20

30

40

50

60

24 684.2 1344.4 2004.6 2664.8 More

Observados

Estimados por Weibull

Q = 3325 m3/sT = 125 anos

Figura 26 – Ajustamento de uma função de distribuição de Weibull aos caudais do Moinho da Gamitinha

Sorraia

Resultados Novembro de 1997

As precipitações que originaram a cheia de 5-6 de Novembro de 1997 no Alentejo, foram bastante localizadas e, apesar das cabeceiras da bacia do Sado terem registado os maiores valores de precipitação, a bacia do Sorraia também foi atingida por precipitações relativamente intensas (Figura 27). Assim no seguimento da modelação para a bacia hidrográfica do Moinho da Gamitinha decidiu modelar-se este evento para a bacia do Sorraia.

Figura 27 – Precipitação média diária de 5 de Novembro de 1977 na bacia hidrográfica do Sorraia

Adoptando uma metodologia semelhante à descrita para a bacia hidrográfica do Moinho da Gamitinha, desenvolveu-se um modelo semi-distribuído para a bacia do Sorraia (Figura 28).


Figura 28 – Modelo HEC-HMS para a bacia hidrográfica do Sorraia

A desagregação do modelo foi feita com base na rede de estações hidrométricas existente na bacia (clássica e do SVARH) e noutras secções de interesse como sejam as barragens das Albufeiras mais importantes.

Os resultados da simulação não obtiveram uma concordância tão próxima com os registos de caudal como no caso do modelo da Gamitinha. Apesar disso o modelo, com ajustes de calibração mínimos, reproduziu de forma aceitável os valores observados, sobretudo se tivermos em conta que as curvas de vazão da maioria das estações hidrométricas desta bacia estão já algo desactualizadas.

Nas Figuras 29, 30 e 31 apresentam-se alguns hidrogramas (simulados versus observados) para algumas das secções deste modelo.


Figura 29 – Hidrograma na secção de Pavia para a cheia de Novembro de 1997

Figura 30 – Hidrograma na secção de Figueira e Barros para a cheia de Novembro de 1997


Figura 31 – Hidrograma na secção de Moinho Novo para a cheia de Novembro de 1997

Resultados Novembro de 1983

Uma vez obtida uma primeira calibração para a cheia de Novembro de 1997, aplicou-se o modelo a outro evento, a cheia de Novembro de 1983 (ver Figura 32).

Ao aplicar-se o modelo a distintos episódios de cheia valida-se o modelo, testa-se a calibração existente e ganha-se mais conhecimento sobre o sistema hidrológico modelado. Assim simularam-se outros eventos para a bacia do Sorraia, nas Figuras 33, 34 e 35 apresentam-se alguns dos resultados obtidos para a cheia de 19 de Novembro de 1983.


Figura 32 – Precipitação média diária de 19 de Novembro de 1983 na bacia hidrográfica do Sorraia

Figura 33 – Hidrograma na secção de Ponte Vila Formosa para a cheia de 19 de Novembro de 1983


Figura 34 – Hidrograma na secção de Moinho Novo para a cheia de 19 de Novembro de 1983

Figura 35 – Hidrograma na secção de Pavia para a cheia de 19 de Novembro de 1983


Águeda

A bacia hiodrográfica do Águeda, uma sub bacia do Vouga, não dispõe de qualquer tipo de estruturas hidráulicas que permita controlar os caudais de cheia. Assim qualquer precipitação um pouco mais intensa traduz-se invariavelmente pelo alagamento da "Baixa de Águeda" com os consequentes prejuízos materiais.

Observando a Figura 36 facilmente se constata para níveis de água no leito do rio superiores 8.5 m começam a verificar-se alagamentos:

8.5m - Alaga campos

9m - Alaga adega cooperativa

9.5m - Alaga baixa de Águeda

Se acrescentarmos ao problema o facto dos tempos de atraso (Lags) para a secção de Ponte de Águeda variam entre as 5 e as 7 horas é fácil perceber que não se dispõe de grande margem de manobra para minimizar os prejuízos das cheias no Águeda.

Figura 36 – MDT, hidrografia e rede viária da zona de Águeda

O modelo desenvolvido para o Águeda foi distribuído de acordo com os postos de monitorização automática do SVARH (ver Figura 37), nas estações de:

Ponte Águeda

Ribeiro

Ponte Redonda


Figura 37 – Modelo HEC HMS para a bacia hidrográfica do Águeda

Nas Figuras 38 a 40 apresentam-se alguns dos resultados obtidos para várias simulações. Saliente-se contudo que a simulação da cheia de Novembro de 1997 foi efectuada com base nos postos udométricos do Instituto de Meteorologia de Viseu e Coimbra, visto o SVARH na altura ainda não encontrar operacional, razão pela qual a concordância entre os caudais simulados e observados ter sido menor que nas restantes simulações em que o posto udométrico de Varzielas já se encontrava operacional.


Figura 38 – Hidrograma na secção de Pte. Águeda para a cheia de 22 de Novembro de 1997

Figura 39 – Hidrograma na secção de Pte. Redonda para a cheia de 23 de Outubro de 1999


Figura 40 – Hidrograma na secção de Pte. Redonda para a cheia de 14 de Dezembro de 1999

Zêzere

A bacia hidrográfica do Zêzere foi um dos primeiros modêlo hidrológicos desenvolvido em HEC-1 pela DSRH (1997). O modelo desenvolvido simula as zonas mais elevadas da bacia, terminando na secção da Barragem do Cabril e estação hidrométrica de Ponte de Cabril (2 338 km2 de cabeceira dos 4 996 km2 totais da bacia) (ver Figura 41).

Este modelo, ao contrário dos anteriores, foi desenvolvido sem recurso a SIG de uma forma agregada, os objectivos que levaram ao desenvolvimento deste modelo foram os seguintes:

Prever a ocorrência de cheias na cascata de albufeiras do rio Zêzere.

Gestão da exploração da cascata de albufeiras do Zêzere permitindo uma melhor utilização da capacidade de armazenamento do Cabril e um eficiente amortecimento de onda de cheia, evitando a ocorrência da concentração dos picos de cheia das sub-bacias.

Determinar as afluências à Barragem do Cabril, visando um primeiro controlo para atenuação das cheias do Tejo.


Figura 41 – Modelo hidrológico para a secção de Ponte Cabril (Zêzere)

Para calibração do modelo utilizaram-se os hidrogramas e os episódios de precipitação referentes às cheias ocorridas em 1943, 1945 e 1996.

Na modelação utilizaram-se os episódios de precipitação registados nos postos udográficos de Covilhão e Penhas Douradas e os hidrogramas de cheia registados na estação hidrométrica de Ponte de Cabril (cheias anteriores à construção da barragem) para as cheias de 1943 e 1945, e na Barragem de Cabril para a cheia de 1996 (ver Figuras 42, 43 e 44).



CHEIA DE 20 DE JANEIRO 1943

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Cau

dal

(m

3/s)

Calculado Observado

Qp=1239 m3/s

Qp=1239 m3/s

tempo (h)

12 24 36 48 60 72 84 96

0

0.5

1

1.5

2

2.5Pre

cip

itaç

ão (

mm

)

Precipitação útil

Perdas

12 h 24 h 36 h 48 h 96 h60 h 72 h 84 h0

2

4

6

8Pre

cip

itaç

ão (

mm

)


Perdas

12 h 24 h 36 h 48 h 60 h 72 h 84 h 96 h


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Cau

dal

(m

3/s)

Calculado Observado

Qp=438 m3/s

tempo (h)

Qp=438 m3/s

12 24 36 48 60 72 84 96

Figura 42 – Resultados para as cheias de Janeiro de 1943


0

100

200

300

400

500

600

Cau

dal

(m

3/s)

Calculado Observado

Qp=593 m3/s

Qp=593 m3/s

tempo (h)

12 24 36 48

0

0.5

1

1.5

2Pre

cip

itaç

ão (

mm

)


Perdas

12 h 24 h 36 h 48 h


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Cau

dal

(m

3/s)

Calculado Observado

Qp=918 m3/s

tempo (h)

Qp=918 m3/s

12 24 36 48

0

1

2

3Pre

cip

itaç

ão (

mm

)


Perdas

12 h 24 h 36 h 48 h

Figura 43 – Resultados para as cheias de Janeiro de 1945


0

0.5

1

1.5

2Pre

cip

itaç

ão (

mm

)


Perdas

12 h 24 h 36 h

CHEIA DE 20 DE DEZEMBRO 1996

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Tempo (h)

Cau

dal

(m

3/s)

Calculado Observado

Qp=763 m3/s

Qp=763 m3/s

12 24 36

CHEIA DE 18 DE DEZEMBRO 1996

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Cau

dal

(m

3/s)

Calculado Observado

Qp=771 m3/s

tempo (h)

Qp=771 m3/s

12 24 36 48 60

0

0.5

1

1.5

2

2.5Pre

cip

itaç

ão (

mm

)


Perdas

12 h 24 h 36 h 48 h 60 h

Figura 44 – Resultados para as cheias de Dezembro de 1996

O seguimento da modelação desta bacia passa por desenvolver um modelo semi-distribuído, que inclua a totalidade da bacia hidrográfica do Zêzere e por modelar outros episódios de cheia, nomeadamente as cheias de 1978, 1979, 1981, 1989 e 1995.

Na Tabela 5 resumem-se os resultados das simulações efectuadas.

Tabela 5 – Análise dos resultados das simulações do Zêzere

Período Q ponta

observado

(m3/s)

Q ponta

simulado

(m3/s)

CN Tempo de

atraso, Lag

(h)

Tempo

para o pico

(h)

Tempo de

concentração

(h)

STRTQ

(m3/s)

QRCSN

(m3/s)

RTIOR STRTL

(mm)

12/Jan/43 437,4 438,3 48,40 5,5 17,5 9,2 173,5 415 1,019 54,16

20/Jan/43 1238,9 1238,9 95,85 17,7 39,5 29,5 258,4 1200 1,019 2,20

19/Dez/45 592,7 592,6 61,25 6,3 21,3 10,5 321,6 570 1,019 32,14

21/Dez/45 918,0 918,2 88,02 15,0 23,0 25,0 380,8 472 1,004 6,91

18/Dez/96 771,0 771,2 69,20 15,8 28,8 26,3 150,0 596 1,05 22,61

21/Dez/96 763,0 762,7 76,48 5,3 14,3 8,8 303,0 700 1,019 15,62 STRTQ - Caudal inicial. QRCSN - Caudal de início de recessão do escoamento de base. RTIOR - Constante de recessão. STRTL - Perdas iniciais.


Conclusões

A modelação hidrológica destas bacias revelou-se importante para complementar e apoiar as decisões baseadas no SVARH.

A modelação hidrológica permite identificar erros e colmatar lacunas nos dados de escoamento, embora falhas de qualidade nos dados de precipitação se traduzam em modelos menos robustos e difíceis de calibrar.

A utilização de um SIG para efectuar a parametrização dos modelos facilita o processo de calibração, uma vez que a realidade física do terreno está presente durante todo o processo.

A automatização da parametrização do modelo permite obter uma consistência de resultados difícil de obter com os métodos tradicionais.

direcÇÃo dos serviÇos de recursos hÍdricos · qualquer que seja a metodologia usada no...

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