Software para análise de incertezas no modelo hidrodinâmico HEC-RAS

Abstract

Modelos hidrodinâmicos são representações esquemáticas e simplificadas do mundo real baseadas em equacionamentos da mecânica dos fluidos. Seus resultados são utilizados para ajudar engenheiros e cientistas a concluírem o que está de fato acontecendo na realidade ou prever situações futuras. Entretanto, tais modelos possuem incertezas do próprio método de solução adotado ou incertezas provenientes dos dados de entrada necessários para a execução do modelo. O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um software na linguagem Python para controlar o modelo hidrodinâmico HEC-RAS, e através da aplicação do método de Monte Carlo, analisar as incertezas envolvidas nas simulações e seus efeitos nos resultados. Foi utilizado um modelo da bacia hidrográ- fica do rio Itajaí-Açu como caso de aplicação, simulando a enchente ocorrida em 1983 na região. Com isso, verificou-se a eficiência do software desenvolvido, bem como os impactos das variações nos valores do coeficiente de Manning, hidrograma de entrada e cotagrama de condição de contorno a jusante do modelo nos resultados de vazão, nível e velocidade das seções. Com base nas análises selecionadas (desvios padrões, médias e coeficientes de variação dos resultados), verificou-se que os três parâmetros que foram variados no método de Monte Carlo afetaram de alguma forma os resultados finais, evidenciando assim a propagação de erros nos modelos e a geração de incertezas nos resultados. Destaca-se o coeficiente de Manning, parâmetro que mais causou alterações nos resultados finais.

Hydrodynamic models are schematic and simplified representations of the real world, based on fluid mechanics principles. They are used by engineers and scientists to find out what is actually happening in reality or to forecast future events. However, these models have input data and mathematical solution uncertainties. The goal of this study is to develop a Python program to remotely control the HEC-RAS hydrodynamic model and by applying the Monte Carlo Method, run an uncertainty analysis on the whole simulation process and the uncertainty effects on the results. An Itajaí-Açu river basin HEC-RAS model was used as the test case. Using this model, the efficiency of the developed software was verified, as well as the impact of the variation of the values of Manning’s roughness coefficient, the input flow hydrograph, and the stage hydrograph (used as a downstream boundary condition) on the flow, velocity, and stage on each cross-section of the model. Based on the selected analysis methods (maximum values of flow, stage, and velocity for each cross-section of the model and their standard deviation, mean value, and coefficient of variation), it was found that all three parameters that were varied on the Monte Carlo Method affected in some way the final results of the model. Thus, it was proved that the error’s propagation on the model exists and as consequence, so does the uncertainty in the results. Manning’s roughness coefficient stood out on the analysis as the parameter that caused more variation on the results of the model.