Hidrograma unitário espacialmente distribuído para áreas variáveis de afluência

Abstract

Resumo: O presente trabalho tem como objetivo a modelagem distribuída do processo de transformação da chuva em vazão a partir de características topográficas e de uso do solo considerando o escoamento superficial dunniano. O método foi aplicado na bacia do rio Pequeno, no município de São José dos Pinhais, Paraná, Brasil. A bacia hidrográfica de 104 km² foi discretizada em uma malha regular com células de 10 metros de lado. O hidrograma unitário foi obtido pela soma das respostas individuais de cada célula contribuinte da bacia, propagadas até a exutória pelo método da difusão. O cálculo da resposta de cada célula é baseado na distribuição espacial das velocidades de escoamento superficial e em canal, obtidas a partir da declividade, da área de afluência, do coeficiente de Manning e uso do solo. A determinação da contribuição ou não de uma célula na geração do escoamento superficial foi feita considerando o estado de umidade, pois somente as células que se encontram com o solo saturado até a superfície geram escoamento superficial. A variação do estado de umidade da bacia impõe variações das áreas afluentes que recebem o nome de áreas variáveis de afluência. Foi usado o modelo TOPMODEL para fazer a estimativa do percentual de área da bacia em estado de saturação. A determinação da distribuição espacial das áreas saturadas foi feita com base no índice topográfico, calculado para cada célula a partir dos dados topográficos em software de geoprocessamento. Com os dados topográficos disponíveis, o cálculo de hidrogramas para cada percentual de área saturada foi feito através de uma rotina computacional desenvolvida em Delphi. Desta forma obteve-se um rol de hidrogramas unitários cada um correspondente a um valor específico de área contribuinte. A partir desses hidrogramas parciais a vazão na exutória é calculada por convolução executada por outra rotina computacional. Os hidrogramas calculados para eventos históricos apresentam-se em geral razoavelmente similares aos hidrogramas observados. Os desvios podem ser justificados por erros inerentes ao processo de modelagem das áreas saturadas, imprecisões na medida de precipitações e vazões, além da heterogeneidade espacial da chuva. Corroboram ainda para as imprecisões na modelagem, as flutuações das vazões derivadas por uma captação de água à montante da estação fluviométrica.

Abstract: This thesis aims at the spatially distributed modeling of the process of transformation of the rainfall into flow from topographic and land use characteristics considering the Dunnian surface runoff. The method was applied in the River Pequeno basin within the State of Parana, Brazil. The drainage area of 104 km² was discretized into a regular mesh of cells each one with a size of 10x10m. The unit hydrograph was obtained by summing the individual responses of each contributing cell in the basin, propagated to the exutory by the diffusion method. The response of each cell is based on the spatial flow velocity distribution which depends on slope, contributing area and Manning coeficient and land use. The determination of the contribution or not of a cell in the surface runoff generation was made considering the state of humidity, only cells saturated to the surface generate surface runoff. The variation of the basin's humidity state imposes variations of the affluent areas that are called variable affluence areas. The TOPMODEL package was used to estimate the percentage of basin area in saturated state. The spatial distribution of the saturated areas was determined based on the topographic index, calculated for each cell from the topographic data using geoprocessing software. With the available topographic data, the calculation of hydrographs for each saturated area percentage was done using a computational routine developed in Delphi. In this way a list of unit hydrographs was obtained each corresponding to a specific value of contributing area. From these partial hydrographs the flow in the exutory is calculated by convolution performed by another computational routine. Hydrographs calculated for historical events are generally reasonably similar to observed hydrographs. The deviations may be justified by errors inherent in the modeling process of saturated areas, inaccuracies in the measurement of rainfall and flow rates, and the spatial heterogeneity of rainfall. Also diversion of flow data may occur because a water supply intake upstream of the river station.