Utilização de dados topo-batimétricos para a modelagem hidrodinâmica 1D com apoio de um sistema de informações geográficas : estudo de caso do Rio Paraguai

Abstract

Resumo: Os estudos envolvendo modelos hidrodinâmicos surgem como aliados essenciais na obtenção de informações detalhadas sobre as características hidráulicas e hidrológicas, auxiliando na avaliação das condições de navegabilidade em hidrovias interiores situadas em sistemas com características físicas complexas. Logo, o fomento em ampliar a participação e a eficiência da Hidrovia do rio Paraguai na malha hidroviária nacional depende da compreensão do regime de escoamento do rio, principalmente em condições de estiagem. Como base de um modelo hidrodinâmico, um Modelo Digital de Altitude (MDA) capaz de representar de forma eficiente a superfície do fundo do rio, garante um bom conjunto de dados para os cálculos efetuados no modelo, e um Sistema de Informações Geográficas (SIG) permite a integração, manipulação, armazenamento, transformação, coleta e análise de dados espaciais por meio de um banco de dados e uma estrutura organizacional, apoiando a modelagem hidrodinâmica no que diz respeito à preparação e a combinação dos dados. Portanto, o foco principal deste trabalho é o desenvolvimento de um método para a combinação e aplicação de um modelo hidrodinâmico 1D com o apoio de um SIG, incluindo a avaliação de um MDA e de uma condição de estiagem na bacia do alto Paraguai, em um trecho que compreende 126 km de extensão, iniciando no município de Ladário - MS até o distrito de Porto Esperança - MS. A estrutura deste trabalho contemplou a avaliação do MDA para a região de estudo com a análise estatística de técnicas de geração de superfícies, fornecendo a base cartográfica para o modelo hidrodinâmico. Em um ambiente SIG, foram inseridas informações como talvegue, margens e uma grande densidade de seções transversais, a fim de assegurar a confiabilidade dos resultados do modelo hidrodinâmico 1D. Condições de contorno (vazão e nível) e pontos de controle a partir de dados coletados de campo foram utilizados para calibração e verificação. Os cálculos foram efetuados para uma condição de estiagem e um regime permanente de escoamento com o programa HECRAS. Os principais resultados incluem avaliações RMSE do MDA, sendo que o interpolador IDW apresentou os melhores resultados, e os resultados do modelo hidrodinâmico 1D, apresentados em um SIG forneceram a elaboração de um cenário de estiagem, contendo uma superfície de níveis de água e de velocidades capaz de identificar trechos críticos à navegação, o perfil longitudinal da lâmina d'água, a declividade do rio para este trecho e demais informações para investigações futuras associadas ao escoamento e à condições de navegação em hidrovias interiores. Palavras-chave: Navegabilidade em hidrovias interiores; Modelo hidrodinâmico 1D; Condições de estiagem; Modelo Digital de altitude; Sistema de informações geográficas.

Abstract: Studies involving hydrodynamic models are essential allies in obtaining detailed information on hydraulic and hydrological parameters of a river system. In addition, the mathematical representation and simulation complement field data and provide more reliable information to assist the evaluation of navigability conditions in inland waterways, especially during extreme events, as floods and droughts. In this context, the main focus of this research is the development and application of hydrodynamic modeling with Geographic Information System (GIS) support, to complement the scarcity of data, identify the longitudinal variations of the flow regime, also to check the drought conditions and its relation to the navigability in the upper Paraguay River. The study area covers a stretch of 126 kilometres between the city of Ladário/MS and the district of Porto Esperança/MS, Brazil. The structure of this research covers the development and evaluation of a Digital Elevation Model (DEM) through statistical analysis and interpolation techniques of topo-bathymetric data. In a GIS environment, information from field surveys such as thalweg, margins and cross sections provided the cartographic base to the hydrodynamic model. Boundary conditions and control points from surveys were used for calibration and verification (discharge, water level, cross-sectional area and velocity). The simulation is connected to the Reference Level (RL) in Paraguay River, representing the low water level event. The main results include the representation of the riverbed surface (DEM) of the study area, where from a statistical and geometric analysis, the Weighted Distance Inverse (IDW) interpolator presented the best results. The hydrodynamic model was able to reproduce and complement survey data, to identify the critical stretches for navigation and with the GIS support, estimate the dredging volumes to guarantee safety navigation. By regarding the simulated velocities, the hydrodynamic model could provide hydraulics variables to sediment transport analysis and/or dunes movements. The database presented in this work can be used for further investigations on morphodynamics and 2D/3D numerical models. Likewise, is a persuasive device to increase the visibility of the inland waterways in the Brazilian transport matrix. Keywords: 1D Hydrodynamic model; Interpolation techniques; Digital Elevation Model; Geographic Information System; Inland navigation.