Identificação de componentes hidrológicas através de filtros lineares auto-regressivos

Abstract

Resumo: Este trabalho de dissertação envolve a utilização de técnicas de identificação de características hidrológicas através de filtros lineares auto-regressivos. Esta metodologia permite obter a separação do hidrograma de cheias em duas ou três componentes de escoamento, a partir da identificação das frequências de corte de cada componente e da utilização de um filtro AR(1). A cada componente identificada é ajustado um modelo auto-regressivo com um a variável exógena ARX(p), cuja ordem p e os respectivos coeficientes são determinados com o auxílio da função de autocorrelação parcial. A partir disto é possível determinar a função de resposta unitária de cada sub-sistema, a série de precipitação efetiva, a partir dos dados de vazão, e a lei de separação da precipitação efetiva em componentes. Estas técnicas foram agrupadas num modelo hidrológico simplificado para simulação de vazões de cheias, tendo como dado de entrada a precipitação observada, que é convertida em precipitação efetiva total mediante a aplicação de um coeficiente de escoamento modelado como uma função do armazenamento de água na bacia. A precipitação efetiva assim determinada é dividida em componentes e então utilizada como entrada de cada sub-sistema para a simulação da vazão de cada componente e consequentemente da vazão total. Os resultados obtidos para as simulações da vazão indicam que é necessário melhorar a modelagem dos fenômenos que envolvem a evapotranspiração, bastante simplificados neste trabalho. Já as técnicas de identificação de componentes hidrológicos apresentaram bons resultados na separação do hidrograma de cheias comparando-se com os métodos clássicos, na determinação das funções de resposta unitária e na obtenção das séries de precipitação efetiva que se mostraram semelhantes a precipitação real observada.

Abstract: This dissertation, "Identification of Hydrologic Components By Autoregressive Linear Filters", deals with the application of the Filter-Separation Autoregressive (AR) Method to identify hydrologic characteristics. With this methodology it is possible to separate the hydrograph into two or three flow components by the identification of the cut-off frequencies of each component and by the application of an AR(1) numerical filter. Each component is then fitted to an auto-regressive model with an exogenous variable ARX(p), whose order p and the respective coefficients are determined by the partial autocorrelation function. Moreover, it is possible to determine the unit impulse response function of each sub-system, the time series of effective rainfall from the runoff data and the law for the separation of effective rainfall into effective rainfall components. These techniques are used in a simplified hydrological model to simulate the storm hydrograph, with the observed rainfall converted into total effective rainfall by the application of a runoff coefficient modeled as a function of the effective storage in the catchment. The effective rainfall thus determined is separated into components by the separation law and then applied as an input to each sub-system to simulate the discharge of each component and finally the total discharge. The simulation results show that it is necessary to improve the parametrization of evapotranspitration and soil water. The flow separation techniques worked well in comparison to classical methods; the unit response function and the effective rainfall time series showed the ability to reproduce streamflow records consistently.