Avaliação de melhorias para um sistema de previsão hidrológica horária

Abstract

Resumo: O município de União da Vitória - PR, sofre eventualmente com enchentes devido ao transbordo do rio Iguaçu. Alguns estudos sobre a região mostram que a represa da UHE Foz do Areia não pode operar na cota máxima de 742 m, sem a utilização de um bom sistema de previsão de vazões. Um sistema de previsão é composto basicamente de um processo de aquisição de dados hidrológicos (e.g.nível do rio e precipitação), seguido de verificação de consistência e substituição de dados espúrios. Estes dados são fornecidos como entrada de um modelo hidrológico, que simula a vazão na seção deinteresse para um período futuro. Existem vários tipos de modelos hidrológicos que podem ser utilizados para esta tarefa. Contudo para este trabalho foi realizada uma comparação entre dois modelos do tipo conceitual chuva-vazão, o modelo Sacramento e o modelo 3R. Este tipo de modelo normalmente conta com um conjunto de parâmetros que devem ser ajustados a cada bacia hidrológica.P ara facilitar esta tarefa foram testadas duas rotinas de otimização automática dos parâmetros, o método Downhill Simplex e o Shuffled Complex Evolution (SCE-UA). Estas rotinas buscam minimizar o valor de uma função objetivo, a qual pode interferir na qualidade dos parâmetros resultantes das rotinas. Neste trabalho foram analisados os resultados para duas funções objetivo distintas. Para verificar a consistência dos dados hidrológicos, foram desenvolvidos procedimentos baseados em verificação de limites climatológicos para os dados monitorados de chuva, vazão e dados meteorológicos envolvidos na estimação da evapotranspiração potencial. Além disso, foi desenvolvido um método de verificação automática com base na intensidade de variação, para os dados de vazão, sendo que ainda foi necessário uma verificação visual das séries temporais para eliminação satisfatória dos dados espúrios. A substituição destes dados foi feita através da média ponderada, dos dados de postos vizinhos, pelo inverso da distância ao quadrado, para os dados de precipitação e evapotranspiração potencial. Para os dados de vazão foram utilizada interpolações lineares e splinecúbica. Os resultados apontaram que, no geral, ambas as rotinas de calibração automática obtêm conjuntos de parâmetros satisfatórios, porém o Simplex converge com uma quantidade reduzida de iterações, em comparação ao SCE-UA. Todavia, para o modelo de Sacramento, que conta com muitos parâmetros, melhores resultados foram obtidos pelo SCE-UA. Quanto aos sistemas de previsão propostos, não foi observado melhorias relevantes na previsão de cheias para o rio Iguaçu em União da Vitória. Isso provém, principalmente, da ausência de previsão de chuva média na bacia para o período de previsão. Outro fator limitante é a dificuldade de estimar corretamente a chuva média na bacia, a qual pode ser afetada por vários fatores, entre eles a densidade de estações pluviométricas.

Abstract: The city of União da Vitória (State of Paraná, Brazil) is eventually struck by floods of Iguaçu river. Some studies show that the dam of the hydroelectric power station Foz do Areia can’t be ful filled without a good hydrological forecast system, because it influences at the river level in the city. Ahydrologic forecast system is basically constituted by a process of data acquisition (e. g. water leveland rainfall), followed by an automatic analysis of consistence and bad data replacement. This datasetis given as an input for a hydrologic model which simulates the river flow in the river section of interest to a future time. In this work a comparison between two conceptual rainfall-runoff models was realized, the Sacramento model and the 3R model. This kind of model usually has a group of parameters which is needed to be adjusted for the watershed characteristics. To make this task easy, two automatic optimization routines have been tested for calibration, the Downhill Simplex’s method and the Shuffled Complex Evolution (SCE-UA). These routines try to minimize an objective function which can interfere at the quality of the optimized parameters. In this work, the results of two different functions have been analyzed. The consistence analysis of hydrologic monitored data was developed based on verification of climatologic limits. Besides, was developed a method for an automatic verification based on intensity variations of the river flow data, but was needed a visual verification of the temporal series for a satisfactory elimination of bad data. The replacement of bad data has been done by distance weighted average, for rainfall and potencial evapotranspiration data, and by linearand cubic spline interpolation for river flow data. The tests with optimization routines showed that both resulted on satisfactory groups of parameters, but the Simplex converged with less iterations than SCE-UA. However, better results were achieved by the SCE-UA, appluing the Sacramento model, which has many parameters. As for the proposed forecast systems, any relevant improvement was observed for the flood forecast of the Iguaçu river at União da Vitória. This is originated, mainly, because the lack of mean rainfall in the forecast period. Other limiting factor is the hardness of correct mean rainfall estimation, which can be affected by many factors, among them the spatial density of rainfall gauges.