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XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

SPEHC – SISTEMA DE PREVISÃO DE EVENTOS HIDROLÓGICOS CRÍTICOS

Pedro Guilherme de Lara

1; Masato Kobiyama

2, Nadia Bernardi Bonumá

3*; Henrique Lucini

Rocha1; Marcus Phoebe Farias Hinnig

1; Diego Moretto1; Decarlos Menna

1; Isaac Sacramento1;

Gustavo Hattenhauer Gomes; Karine Xavier1; Juliana D’Amoreira Lopes

1; Natálie Berka Borges

1 Resumo – Segundo dados publicados pelo TCE/RJ em 12 de julho de 2011 os prejuízos na região serrana deste estado somavam mais de R$614 milhões de reais devido aos desastres naturais ocorridos no início do mesmo ano. Por isso o desenvolvimento de sistemas hidrológicos de previsão de vazão e condições hidrodinâmicas é uma saída na tentativa de conter prejuízos econômicos e perdas humanas a cada catástrofe hidrológica no Brasil. O SPEHC – Sistema de Previsão de Eventos Hidrológicos Críticos é um sistema de assimilação de dados de diversas fontes como telemetria, radar meteorológico e modelos meteorológicos, que opera em tempo real, simulando cenários de geração de vazão através da formulação do modelo PM-Tank Model. No presente estudo, é mostrada a aplicação do SPEHC numa bacia piloto da região sul do Brasil. Palavras-Chave – Sistema de Previsão, SPEHC, PM-Tank Model.

SPEHC – HYDROLOGIC FORECASTING SYSTEM OF CRITICAL EVENTS Abstract – According to publications of the TCE/RJ on July 12, 2011, the losses in the mountainous region of Rio de Janeiro State reached more than R$ 614 million Reals due to natural disasters. Therefore, the development of flood forecasting systems might be an alternative to attempt to reduce economic and human losses at each hydrological disaster in Brazil. The SPEHC – Hydrologic Forecasting System of Critical Events performs data assimilation from various sources such as telemetry systems, weather radar and meteorological models, which operate in real time. The system employs the formulation of the PM-Tank Model to generate real time simulations of flooding scenarios. The present study shows a straightforward application of SPEHC in a pilot catchment in the southern Brazil. Keywords – Forecasting System, SPEHC, PM-Tank Model. 1. INTRODUÇÃO

Segundo dados publicados pelo TCE/RJ em 12 de julho de 2011 os prejuízos na região serrana deste estado somavam mais de R$614 milhões de reais devido aos desastres naturais ocorridos no início do mesmo ano. Além dos custos financeiros, 908 pessoas vieram a óbito, 285 estavam desaparecidas e mais de 30 mil pessoas ficaram desalojadas. Em Santa Catarina no ano de 2008 foram alocados R$ 360 milhões de reais em verbas federais para reconstrução das cidades atingidas durante os desastres naturais ocorridos. E todo ano alguma região do país sofre com a ocorrência de desastres naturais.

1 Fractal Engenharia, [email protected] 2 IPH/UFRGS, [email protected] 3 Universidade Federal de Santa Catarina, [email protected]


O desenvolvimento de sistemas de alerta integrados com modelos hidrológicos numéricos é uma alternativa interessante aos agentes públicos e privados, envolvidos em eventos naturais catastróficos. Através do emprego de um sistema de alerta, o qual integre dados pluviométricos e fluviométricos de situação, bem como dados de previsão meteorológica, é possível gerar previsões de vazão num determinado ponto de interesse. A série de vazão gerada pela previsão pode ser empregada para avaliar cotas de inundação, susceptibilidade e áreas de interesse, entre outros aspectos sociais e econômicos de uma tomada de decisão.

O presente trabalho propõe o Sistema de Previsão de Eventos Hidrológicos Críticos (SPEHC) a fim de oferecer subsídio para a tomada de decisão quanto à gestão e ao gerenciamento dos recursos hídricos. Uma forma de uso do SPEHC é a geração de boletins diários com previsão de 3,5 dias até 11 dias, caso empregue modelos meteorológicos de previsão, tais como BRAMS (Freitas et al., 2009) e ETA (Chou et al., 2005), respectivamente. No entanto, é possível integrar o SPEHC a outras fontes de dados, como por exemplo, radares meteorológicos. Para demonstrar o desempenho do SPEHC, o presente trabalho aplicou-o para a bacia hidrográfica do Rio Itajaí-Mirim, no Estado de Santa Catarina.

2. SPEHC – SISTEMA DE PREVISÃO DE EVENTOS HIDROLÓGICOS CRÍTICOS

O SPEHC foi desenvolvido conforme um modelo iterativo, preconizado pela metodologia SCRUM. Cada iteração consistiu em implementar os requisitos através da criação de casos de testes, implementação das funcionalidades e entrega final do sistema pronto. A fase de desenvolvimento envolveu duas etapas cruciais:

• Implementação do sistema de busca e padronização de dados hidrológicos: para o presente estudo de caso, o SPEHC opera com dados provenientes da telemetria em tempo real da ANA (Agência Nacional de Águas), do satélite TRMM-NASA, do modelo meteorológico BRAMS e do modelo meteorológico ETA; e,

• Implementação do sistema de modelagem numérica: programação das equações da formulação numérica do modelo PM-Tank Model, proposto por Lara e Kobiyama (2012).

O modelo hidrológico do SPEHC é embasado na teoria do Tank Model (Sugawara, 1961), o qual é recomendado por WMO (World Meteorological Organization) (1992). Diversos autores já reportaram aplicações deste modelo como ferramenta de auxílio em estudos para prevenção de desastres naturais (Ishihara e Kobatake, 1978), estudos de estabilidade de talude (Otsu et al., 2005), estudos de fluxo de escombros (Takahashi e Nakagawa, 1991) e em estudos de gerenciamento de desastres hidrometeorológicos (Lindner e Kobiyama, 2009). A formulação do modelo hidrológico fisicamente embasado PM-Tank Model, agrega robustez ao SPEHC, pois segundo Lara & Kobiyama (2012) o PM-Tank Model funciona bem para eventos hidrológicos de resposta rápida e abrupta. É importante salientar que a formulação deste modelo emprega relações funcionais não-lineares, que segundo Brutseart (2005), podem gerar melhores resultados na representação de eventos hidrológicos extremos ou críticos.

Desta forma, o SPEHC consiste em uma Interface de Aplicação (API) e um sistema de alerta de enchentes, no qual é implementado um modelo matemático fisicamente embasado, o PM Tank Model. As previsões são realizadas por meio de simulações de condições hidrológicas de uma ou mais bacias hidrográficas. O sistema permite, entre outras possibilidades, que agentes públicos e privados detectem possíveis regiões de inundação e se antecipem em relação à ocorrência de inundações pelo recebimento de boletins diários.


3. APLICAÇÃO DO SPEHC – ESTUDO DE CASO A área de estudo de teste do SPEHC é a bacia hidrográfica do Rio Itajaí-Mirim, no ponto de

interesse do município de Brusque/SC, na estação fluviométrica Brusque (PCD) - 83900000. A cidade de Brusque/SC já sofreu uma série de eventos de inundação no passado. Esta bacia com área de drenagem de 1.240 km² está inserida num clima úmido subtropical com excedente hídrico anual, e acumulado de precipitação da ordem de 1700 mm anuais. A Erro! Fonte de referência não encontrada. ilustra a localização da bacia e sua da área de drenagem.

Figura 1 – Área de estudo.

O presente estudo foi embasado em dados hidrológicos observados de chuva e vazão da ANA, dados de chuva do radar da missão TRMM-NASA e dados de previsão de chuva do modelo regional BRAMS. Os dados observados de chuva e vazão foram empregados no estudo hidrológico da bacia do Rio Itajaí-Mirim e para calibrar o modelo hidrológico PM-Tank Model do SPEHC. Posteriormente, os dados de chuva do TRMM-NASA foram empregados juntos com os dados de fluviometria da ANA, a fim de avaliar a calibração do modelo hidrológico, caso da necessidade de empregar dados do TRMM-NASA para representar a chuva observada na bacia. Tal condição ocorre quando a bacia hidrográfica de interesse não apresenta estações pluviométricas adequadas temporalmente e espacialmente.

Já os dados de previsão de chuva do modelo meteorológico regional BRAMS foram empregados para realizar a previsão de vazão para o ponto de controle, no exutório da bacia hidrográfico do Rio Itajaí-Mirim. A calibração do modelo foi realizada na escala temporal diária e a previsão foi realizada na escala temporal de 6 horas. 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

O modelo PM-Tank Model do SPEHC foi calibrado para o ano de 2001, devido à qualidade e disponibilidade dos dados fluviométricos de precipitação e vazão. Empregando dados de


precipitação da ANA e do satélite TRMM-NASA, o presente trabalho mostra resultados de hindcast, quando a previsão é avaliada com eventos passados. A Figura 2 ilustra o desempenho do modelo hidrológico para o ano de 2001, ano no qual ocorreram vazões a cima do limite de alerta determinado pela ANA.

Em 2001 não ocorreu inundação no município de Brusque/SC, enquanto o município de Itajaí/SC sofreu inundação de alguns bairros sobre influência da resposta hidrológica da bacia do Rio Itajaí-Mirim. A formulação do modelo hidrológico do SPEHC calibrou com o coeficiente de Nash & Sutcliffe (1970) igual a 0,75, representando adequadamente os processos de geração de vazão da bacia hidrográfica, bem como representando a dinâmica de armazenamento d’água na camada ativa do solo hidrológico.

Figura 2 – Hindcast do ano de referência (2001) da calibração do modelo hidrológico, empregando dados da ANA.


Para o mesmo de 2001, o modelo hidrológico foi avaliado empregando os dados de precipitação, como situação, do satélite TRMM-NASA. Esta fonte de dados é uma alternativa para dados de situação de precipitação, quando não houver outra fonte contínua disponível. A mesma calibração empregada para 2001 com dados da ANA foi utilizada neste cenário. As chuvas monitoradas pela ANA e observadas pelo TRMM são bastante semelhantes temporalmente e volumetricamente. Neste caso, o TRMM ainda é capaz de representar a variabilidade espacial da chuva sobre a bacia do Rio Itajaí-Mirim. Para o pico ocorrido em setembro, com os dados do TRMM, houve uma superestimação da vazão, no entanto, temporalmente o evento foi igualmente representado se comparado com os dados de chuva da ANA.

A Figura 3 ilustra o desempenho do modelo hidrológico para o ano de 2001, empregando os dados de precipitação do satélite TRMM-NASA.

Figura 3 – Hindcast do ano de referência (2001), empregando dados de precipitação TRMM-NASA.


Empregando dados de previsão de precipitação do modelo meteorológico BRAMS, para um evento do dia 27 de maio de 2015, o SPEHC demonstrou ter boa acurácia para uma previsão de 48 horas. A calibração do ano de 2001 (Calibração 1) foi empregada, no entanto, o modelo hidrológico não demonstrou exatidão desejada em relação à vazão de pico. Então duas calibrações foram empregadas, Calibração 2 (diminuindo a condutividade hidráulica do solo) e a Calibração 3 (diminuindo o tempo de concentração da bacia em relação à Calibração 2). A Figura 4 ilustra o desempenho do SPEHC para a previsão de vazão de cada calibração. A linha vermelha dividindo o gráfico separa a situação da previsão. A linha em amarelo (paralela ao eixo das abscissas no gráfico de vazões) é o nível de alerta para o ponto de interesse, da estação fluviométrica Brusque (PCD) – 83900000, definido aproximadamente igual a 250 m³/s. Este nível de referência de alerta é fundamentado nas informações disponibilizadas pela ANA.

Figura 4 – Previsão (forecast) SPEHC.

As calibrações resultantes da diminuição da condutividade hidráulica do solo e do tempo de concentração geraram ajustes mais próximos do observado. Tal resultado é condizente, no momento de saturação a condutividade hidráulica do solo tende a diminuir, bem como o tempo de concentração pode diminuir. A incerteza do modelo hidrológico é dependente da incerteza da precipitação. A qualidade das previsões de vazão é função da qualidade e confiabilidade da fonte de dados de precipitação.

O operador do SPEHC pode gerar diversas calibrações e emprega-las na geração de previsões, e verificar qual cenário é mais adequado na representação do evento. É possível fazer isso, pois o SPEHC foi desenvolvido para ser versátil e ágil para o operador. 5. CONCLUSÃO

O SPEHC é um sistema hidrológico indicado para subsidiar a tomada de decisão de gestores frente à ocorrência de eventos hidrológicos críticos. Os setores público e privado, bem como


diferentes ramos da indústria podem usufruir dos benefícios desta ferramenta. O presente trabalho abordou um simples exemplo de aplicação do SPEHC para previsão de eventos de inundação para a bacia hidrográfica do Rio Itajaí-Mirim, no ponto de interesse definido no município de Brusque/SC. A figura representa o modelo de boletim que o gestor poderá receber via email ou acessá-lo via web.

Figura 5 – Modelo de boletim de situação e previsão gerado pelo SPEHC.

O sistema já está pronto para uso, o qual estará nas suas versões futuras, sendo incrementado e customizado com mais funcionalidades, segundo demandas geradas por usuários. O modelo hidrológico PM-Tank Model possui embasamento físico e hidrológico, que o torna robusto e eficiente na representação do processo chuva-vazão. A maior limitação do SPEHC está condicionada à qualidade dos dados de entrada, definidos pela variável precipitação. As incertezas da fonte de dados propagam incertezas na geração de previsões de vazão e nível d’água, no entanto, o exemplo da calibração para o ano de 2001, empregando dados da ANA e TRMM-NASA, mostra


que com o modelo hidrológico o SPEHC é eficiente na representação temporal do evento de cheia, o que é importante para o gestor num momento de catástrofe. Mesmo a magnitude do evento não sendo absolutamente a mesma, a distribuição temporal é a mesma, isso é devido à formulação matemática do PM-Tank Model.

Futuramente deseja-se utilizar a capacidade do modelo hidrológico de calcular a disponibilidade hídrica na camada ativa para previsões de estabilidade de encostas. Pois através do modelo hidrológico, a variabilidade da disponibilidade hídrica na camada ativa determinará o comportamento da variabilidade da condutividade hidráulica do solo, o que poderá embasar o cálculo do fator de segurança da encosta, empregando princípio da mecânica dos solos saturado e não-saturado. Além disso, estudos sobre a incerteza das fontes de dados de precipitação do BRAMS e do ETA serão desenvolvidos para incrementar o módulo de previsão do SPEHC.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao CNPq, através da chamada RHAE Pesquisador na Empresa, pelo financiamento do desenvolvimento do SPEHC – Sistema de Previsão de Eventos Hidrológicos Críticos.

REFERÊNCIAS

CHOU, S. C.; BUSTAMANTE, J. F.; GOMES, J. L. (2005). Evaluation of seasonal precipitation forecasts over South America using Eta model. Nonlinear Processes in Geophysics, v. 12, p. 537-555.

FREITAS, S. R.; LONGO, K. M.; SILVA DIAS, M. F. A.; CHATFIELD, R.; SILVA DIAS, P. L.; ARTAXO, P.; ANDREAE, M. O.; GRELL, G.; RODRIGUES, L. F.; FAZENDA, A. L.; PANETTA, J. (2009). The Coupled Aerosol and Tracer Transport model to the Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modeling System (CATT-BRAMS). Part 1: Model description and evaluation, Atmos. Chem. Phys., v. 9, p. 2843-2861.

ISHIHARA, Y.; KOBATAKE, S. (1978). Study on synthetic flood hydrograph. Annuals of Disas.

Prev. Res. Inst., Kyoto Univ., Kyoto, n.21-B2, p.153–172 (em japonês).

LINDNER, E.A.; KOBIYAMA, M. (2009). Proposal of Tank Moisture Index to predict floods and droughts in Peixe River watershed, Brazil. IAHS-AISH, v. 331, p. 314-323.

LARA, P. G.; KOBIYAMA, M. (2012). Proposta de modelo conceitual: PM Tank Model. RBRH. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 17, p. 149-161.

NASH, J.E.; SUTCLIFFE, J.V. (1970). River flow forecasting through conceptual models Part I – A discussion of principles. Journal of Hydrology, Amsterdam, v.10, p.282–290.

OTSU, H.; SUPAWIWAT, N.; MATSUYAMA, H.; TAKAHASHI, K. (2005). A study on asset management of road slopes considering performance deterioration of groundwater countermeasurement system. Journal of Japan Society of Civil Engineers, Tokyo, n.784/VI-66, p.155-169.

SUGAWARA, M. (1961). On the Analysis of Runoff Structure about Several Japanese Rivers. Japanese Journal of Geophysics, v.2, n.4, p.1-76.

TAKAHASHI, T.; NAKAGAWA, H. (1991). Prediction of stony debris flow induced by severe rainfall. Journal of Japan Society of Erosion Control Engineering, v.44, n.3, p.12–19 (em japonês).

WMO. (1992), Simulated real-time intercomparison of hydrological models. Geneva: World Meteorological Organization. 241p. (Operational Hydrology Report No. 38, WMO Publ. No. 779).

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