Simulação hidrológica de grandes bacias

Abstract

O comportamento hidrológico de grandes bacias envolve a integração da variabilidade espacial e temporal de um grande número de processos. No passado, o desenvolvimento de modelos matemáticos precipitação – vazão, para representar este comportamento de forma simplificada, permitiu dar resposta às questões básicas de engenharia. No entanto, estes modelos não permitiram avaliar os efeitos de modificações de uso do solo e a variabilidade da resposta em grandes bacias. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a validação de um modelo hidrológico distribuído utilizado para representar os processos de transformação de chuva em vazão em grandes bacias hidrográficas (maiores do que 10.000 km2). Uma grade regular de células de algumas dezenas ou centenas de km2 é utilizada pelo modelo para representar os processos de balanço de água no solo; evapotranspiração; escoamentos: superficial, sub-superficial e subterrâneo na célula; e o escoamento na rede de drenagem em toda a bacia hidrográfica. A variabilidade espacial é representada pela distribuição das características da bacia em células regulares ao longo de toda a bacia, e pela heterogeneidade das características no interior de cada célula. O modelo foi aplicado na bacia do rio Taquari Antas, no Rio Grande do Sul, na bacia do rio Taquari, no Mato Grosso do Sul, e na bacia do rio Uruguai, entre Rio Grande do Sul e Santa Catarina. O tamanho destas bacias variou entre, aproximadamente, 30.000 km2 e 75.000 km2. Os parâmetros do modelo foram calibrados de forma manual e automática, utilizando uma metodologia de calibração automática multi-objetivo baseada em um algoritmo genético. O modelo foi validado pela aplicação em períodos de verificação diferentes do período de calibração, em postos fluviométricos não considerados na calibração e pela aplicação em bacias próximas entre si, com características físicas semelhantes. Os resultados são bons, considerando a capacidade do modelo de reproduzir os hidrogramas observados, porém indicam que novas fontes de dados, como os fluxos de evapotranspiração para diferentes coberturas vegetais, serão necessários para a plena utilização do modelo na análise de mudanças de uso do solo.

Hydrologic behavior of large river basins involve the integration of a large number of processes highly variable in space and time. Mathematical rainfall - runoff models developed in the past, representing this behaviour in a simplified form, allowed answering some basic questions related to engineering. Nevertheless, these models were not helpful in the analysis of phisiographic variability and land use change in large river basins. This text presents the development and validation of a distributed hydrological model, used for representing the processes involved in rainfall to runoff transformation in large river basins (larger than 10⁴ km²). The model uses a regular grid of cells, each having tenths to hundreds of km², to represent the processes of soil water storage, evapotranspiration, surface runoff, groundwater flow and subsurface flow in each cell and of concentrated flow in the basins river network. Spatial variability is represented by the distribution of the physical characteristics through the cells over all the basin, and by the heterogeneity of characteristics into each cell. The model was applied in the Taquari - Antas river basin, in the State of Rio Grande do Sul, in the Taquari river basin, in the State of Mato Grosso do Sul, and in the Uruguay river basin, in the States of Rio Grande do Sul and Santa Catarina. The area of these basins is between, approximately 30.000 km² e 75.000 km². Model parameters were calibrated using an automatic multi-objective calibration technique based on a genetic algorithm. The model was validated by split sample tests and by the application in similar basins without calibration. Results can be considered good in terms of the ability of the model to reproduce observed hydrographs, but probably new data sources, such as evapotranspiration fluxes measurements for differing vegetations types, will be needed to use the model in reliable analysis of land use change.