Análise comparativa de três formulações do topmodel na bacia do Rio Pequeno - PR

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia AmbientalO conhecimento obtido pelo monitoramento de fenômenos hidrológicos tem melhorado a representação da realidade pelos modelos. O modelo matemático possui vantagens sobre os outros tipos de modelos, dada à sua facilidade de implementação, baixo custo, rápida visualização dos resultados e a simulação de experimentos inviáveis na prática. Um destes modelos matemáticos é o TOPMODEL. Este modelo possui uma simples e funcional conceituação, baseada em um índice de similaridade hidrológica, sobre os fenômenos que ocorrem em uma bacia hidrográfica. Devido a livre disponibilização do TOPMODEL, desde a sua criação ele vem sendo utilizado e alterado. Entretanto, existem poucos trabalhos comparativos entre a versão original e as alteradas. O presente trabalho teve como objetivo comparar e avaliar três formulações do TOPMODEL na simulação de hidrogramas. Duas formulações do TOPMODEL foram implementadas no código da formulação original. Estas duas formulações modificam o índice topográfico da formulação original. As formulações implementadas geraram dois novos modelos. Os três modelos (MODELO 1 - TOPMODEL original (BEVEN et al., 1984); MODELO 2 - modificado por CAMPLING et al. (2002) e MODELO 3 - modificado por DATIN (1998)) foram analisados e comparados com dados obtidos na bacia Rio Pequeno no município de São José dos Pinhais - PR. Um modelo matemático denominado WADI, utilizando uma rede de triângulos irregulares, foi implementado em linguagem orientada a objetos para extrair a partir de curvas de nível digitalizadas da bacia a função distância-área. Esta função foi convertida em um histograma tempo-área dentro do TOPMODEL. Os intervalos válidos dos parâmetros dos três modelos foram estimados de acordo com recomendações da bibliografia e com prévias simulações. Os modelos foram testados com duas séries de dados horários de precipitação e vazão, uma para calibração dos modelos e a outra para validação. Conjuntos de parâmetros com melhores eficiências foram selecionados a partir de simulações utilizando a técnica Monte Carlo. O critério de escolha do valor da eficiência para exclusão de conjuntos de parâmetros foi baseado na percentagem (60%) de parâmetros excluídos para cada modelo. Por meio da distribuição de freqüência destas eficiências, os limites de incerteza referentes a 5% e 95% foram encontrados nos hidrogramas. Os conjuntos dos melhores parâmetros determinados na primeira série de dados foram aplicados na segunda série. Através de um método estatístico usando a equação de Bayes, as eficiências dos conjuntos de parâmetros da segunda série foram combinadas com as da primeira, implicando na redução do intervalo de incerteza para a segunda série. Hidrogramas das vazões observadas e simuladas com os três modelos foram traçados e estes foram comparados e analisados de acordo com as medidas de desempenho (índice de Nash, entropia e incerteza). Foi observado que para a bacia de aplicação e para as séries de dados escolhidas os três modelos obtiveram desempenhos semelhantes na simulação de hidrogramas. O MODELO 2 tem intervalos de incerteza mais estreitos, desta forma possuindo menos incerteza na calibração de parâmetros. Além disso, este modelo compreende o maior número de vazões observadas dentro dos limites de incerteza. Portanto, o MODELO 2 é considerado o melhor dos três modelos analisados na simulação de hidrogramas, às custas da introdução de um novo parâmetro

Desenvolvimento de um modelo hidrológico distribuído por meio de células voronoi com consideração das profundidades do solo

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2010Soil is an important element in the water cycle. Many phenomenon take place in the soil, for example: saturation, infiltration and percolation. Thus, the soil depth is a necessary parameter in many hydrological models. Besides, the knowledge about soil depths is important for land slides estimates and for hazard area mapping. The present work had the main objective to develop a distributed hydrological model, named WADII-HM, based on the hydrological model TOPMODEL, taking into account the spatial distribution of soil depths in the watershed. In addition, this study developed and implemented, using MATLAB language, a model named WADII, for geomorphological characterization of watersheds; implemented a model to spatially distribute the soils depths; implemented in C language a spatially distributed hydrological model using Voronoi cells; compared the WADII-HM model to the TOPMODEL model and validated the spatial distribution of soil depths using observed data. The methodology consisted basically in to implement the models in their computational languages, to apply the models in three watersheds: Pequeno River (106 km2); (2) Cubatão River (395 km2) e (3) Pinus I (0,10 km2) and to compare the simulations to the TOPMODEL. Precipitation and evapotranspiration data were used in three different temporal resolutions: one hour for Pequeno River watershed; twenty two hours for Cubatão River watershed and ten minutes for Pinus I watershed. The data period was divided in one data series for model calibration and another one for model validation, except to the Pinus I watershed, where the models were applied using only one data series. However, for this watershed, the WADII-HM model was validated using an observed spatial distribution of soil depths. Through the simulations and the comparisons was possible state that: (i) one of the results from the WADII model is the hydrologic matrix. Using this matrix many geomorphologic proprieties can be derived, as the cell index. The spatial distribution of this index guides the procedure for water balance estimates and flow routing for every cell; (ii) he assumption to determine the initial water content in every cell using a relationship with the specific discharge shown good results; (iii) the WADII-HM model was calibrated and validated for all the analyzed watersheds with satisfactory results. (iv) the WADII-HM and TOPMODEL models simulated the observed discharges in a similar way, some advantages for the TOPMODEL model in the validation series for the Pequeno River watershed and in the absolute error for the Pinus I watershed. Advantages for the WADII-HM model in all simulations for the Cubatão River watershed; (v) the soil depths in the Pinus I watershed were estimated and validated.O solo constitui um fundamental elemento no ciclo hidrológico. É nele onde diversos fenômenos acontecem, como por exemplo: saturação, infiltração e percolação. Desta forma, a profundidade do solo é um parâmetro necessário em muitos modelos hidrológicos. Outra importante utilidade do conhecimento da profundidade do solo é na estimativa de deslizamentos de terra e mapeamentos de área de risco. O presente trabalho teve como objetivo principal desenvolver um modelo hidrológico distribuído, denominado WADII-HM, baseado no modelo hidrológico TOPMODEL, levando em consideração a distribuição espacial das profundidades do solo na bacia. Também foram objetivos do trabalho desenvolver e implementar um modelo, denominado WADII, para caracterização morfológica de bacias hidrográficas implementado em MATLAB; implementar um modelo de predição da variação espacial das profundidades do solo em uma bacia; implementar em linguagem C um modelo hidrológico distribuído espacialmente através de células Voronoi; comparar o modelo WADII-HM com o TOPMODEL e validar a predição das profundidades do solo com dados observados em uma bacia. A metodologia consistiu basicamente na implementação dos modelos em suas respectivas linguagens computacionais, aplicação dos modelos em três bacias: (1) Rio Pequeno (106 km2), (2) Rio Cubatão (395 km2) e (3) Pinus I (0,10 km2) e comparação das simulações com o modelo TOPMODEL. Dados de precipitação e evapotranspiração foram utilizados em três diferentes resoluções temporais, sendo de uma hora para a bacia do Rio Pequeno, vinte e quatro horas para a bacia do Rio Cubatão e dez minutos para a bacia Pinus I. O período de dados para as bacias foi divido em uma série para calibração e outra série para validação do modelo, exceto para a bacia Pinus I, onde os modelos foram aplicados utilizando uma única série. Entretanto, para esta bacia, usando dados observados de profundidades do solo, o modelo WADII-HM foi validado na sua predição de profundidades do solo. Por meio das simulações e comparações foi possível estabelecer que: (i) um dos resultados do modelo geomorfológico WADII é a matriz hidrológica. Através dessa matriz várias propriedades geomorfológicas podem ser derivadas. Uma propriedade é o índice de células. A distribuição espacial deste índice orienta a sequência de cálculo de balanço hídrico e a propagação dos escoamentos de cada célula; (ii) a determinação das condições iniciais de saturação e escoamentos da bacia usando uma relação com as vazões específicas de cada célula mostrou bom resultados; (ii) o modelo WADII-HM foi calibrado e validado para todas as bacias em análise produzindo satisfatórios resultados; (iv) os modelos WADII-HM e TOPMODEL simularam os hidrogramas observados de maneira similar em todas as bacias, com vantagens para o TOPMODEL na série de validação da bacia Rio Pequeno e no erro absoluto total para a bacia Pinus I. Vantagem para o modelo WADII-HM para todas as simulações na bacia do Rio Cubatão; (v) as profundidades do solo foram estimadas e validadas para a bacia Pinus I

TOPMODEL: TEORIA INTEGRADA E REVISÃO

The objective of the present work was to review the hydrologicalmodel TOPMODEL. This model is based on the variablesource area concept. This dynamic and distributed feature ofthe watershed is simulated with two main parameters: (1) thetopographic index that is a function of the contributing area andslope for each cell; and (2) the storage deficit that representsthe available water in the soil. Its integrated theory is describedand special attention was made to review papers that used theTOPMODEL for hydrograph forecasting, parameter sensitivityanalysis and hypotheses modification.Devido a sua disponibilização e facilidade de aplicação, omodelo hidrológico TOPMODEL tornou-se um dos modelosmais populares, gerando um grande número de trabalhos comaplicações e modificações. O presente trabalho tem comoobjetivo realizar uma revisão bibliográfica e integração dateoria do modelo TOPMODEL. Esse modelo é baseado naárea variável de contribuição. Essa característica dinâmicae distribuída da bacia é simulada através dos dois principaisparâmetros do modelo: (1) índice topográfico que é função daárea acumulada e declividade de cada célula; e (2) déficit dearmazenamento que representa a quantidade de água disponívelno solo para cada célula. É apresentada uma descriçãoda teoria do modelo com ênfase na obtenção das equaçõese uma revisão de trabalhos que utilizaram o modelo paraprevisões de vazões, análise de sensibilidade de parâmetrose alteração das hipóteses

CHUVAS NO RIO GRANDE DO SUL: UM ESTUDO SOBRE AS PRECIPITAÇÕES ACUMULADAS INTENSAS NO ALTO URUGUAI GAÚCHO

No mês de junho de 2014, a sequência de oito dias de chuvas ininterruptas promoveu uma série de transtornos (inundações, deslizamentos de terra, interdição de estradas) à parte da população dos estados do Rio Grande do Sul, Santa Catarina e Paraná. O trabalho objetiva identificar a ocorrência de eventos acumulados intensos de precipitação na região do alto Uruguai gaúcho, bem como seus mecanismos sinóticos responsáveis por esses acumulados de chuva. Dados diários de precipitação foram acumulados em grupos de cinco dias (pêntadas), perfazendo o total de 73 pêntadas anuais, no decorrer dos 53 anos da série (1961-2014). A aplicação do percentil 99 ao conjunto de dados determinou o valor do acumulado intenso (157,4 mm). Com base nesse valor foram calculadas a Frequência Absoluta, Frequência Relativa e o Tempo de Retorno desses acumulados intensos. Os resultados demonstraram que, dos dez eventos acumulados mais intensos, 70% ocorreram entre as pêntadas 30 e 47. Os eventos dos anos de 2014 e 1992 foram os mais intensos, acumulando, respectivamente, 366,7 mm e 328,0 mm. Os resultados demonstraram que os acumulados pluviométricos intensos entre 200 e 250 mm possuem um tempo de retorno de cerca de cinco anos. Já a análise sinótica desses eventos revelou que tais eventos são consequência da formação de frentes estacionárias e semiestacionárias com duração mínima de 36 horas. Nos eventos de maior intensidade, o tempo de permanência do sistema frontal e estacionário foi de 120 horas, para 2014 e, 32 horas para 1992. Dessa forma, verifica-se que eventos acumulados intensos têm sido frequentes no decorrer dos 53 anos da série, podendo, estes, estarem relacionados às mudanças climáticas, sobretudo pela intensificação dos casos nos últimos anos (1992 e 2014)

Rains in Rio Grande do Sul : a study of intense rainfall accumulated in the upper Uruguay Gaucho

No mês de junho de 2014, a sequência de oito dias de chuvas ininterruptas promoveu uma série de transtornos (inundações, deslizamentos de terra, interdição de estradas) à parte da população dos estados do Rio Grande do Sul, Santa Catarina e Paraná. O trabalho objetiva identificar a ocorrência de eventos acumulados intensos de precipitação na região do alto Uruguai gaúcho, bem como seus mecanismos sinóticos responsáveis por esses acumulados de chuva. Dados diários de precipitação foram acumulados em grupos de cinco dias (pêntadas), perfazendo o total de 73 pêntadas anuais, no decorrer dos 53 anos da série (1961-2014). A aplicação do percentil 99 ao conjunto de dados determinou o valor do acumulado intenso (157,4 mm). Com base nesse valor foram calculadas a Frequência Absoluta, Frequência Relativa e o Tempo de Retorno desses acumulados intensos. Os resultados demonstraram que, dos dez eventos acumulados mais intensos, 70% ocorreram entre as pêntadas 30 e 47. Os eventos dos anos de 2014 e 1992 foram os mais intensos, acumulando, respectivamente, 366,7mm e 328,0mm. Os resultados demonstraram que os acumulados pluviométricos intensos entre 200 e 250 mm possuem um tempo de retorno de cerca de cinco anos.Já a análise sinótica desses eventos revelou que tais eventos são consequência da formação de frentes estacionárias e semiestacionárias com duração mínima de 36 horas. Nos eventos de maior intensidade, o tempo de permanência do sistema frontal e estacionário foi de 120 horas, para 2014 e, 32 horas para 1992. Dessa forma, verifica-se que eventos acumulados intensos têm sido frequentes no decorrer dos 53 anos da série, podendo, estes, estarem relacionados às mudanças climáticas, sobretudo pela intensificação dos casos nos últimos anos (1992 e 2014).During June of 2014, eight days of continuous rainfall promoted a number of disorders (floods, landslides, road interdiction) to the population of the states of Rio Grande do Sul, Santa Catarina and Paraná. This study aims to identify the occurrence of accumulated intense precipitation events in the upper Uruguay Gaucho region as well as its synoptic mechanisms responsible for these accumulated rain. Daily precipitation data was accumulated in groups of five days (pentads), totaling 73 pentads per year, over the 53 years of the series (1961 - 2014). The value of accumulated intense rainfall (157.4mm) was determined by applying the 99th percentile in the dataset. Based on this value, the time of return and the absolute and relative frequencies were calculated. The results showed that 70% of the ten most intense events occurred between 30th and 47th pentads. The events during the years of 2014 and 1992 were the most intense, respectively accumulating 366.7mm and 328.0mm. The results showed that intense daily rainfall between 200mm and 250mm occurs once every five years. On the other hand, a synoptic analysis of these events showed they are a consequence of the formation of stationary fronts and semi stationary fronts that last at least 36 hours. In the event of greater intensity, the front stationary system lasted 120 hours for 2014 and 32 hours for 1992. In this way, it appears that these intense events have been frequent during of the 53 years of the series and it is possible that they are related to climate change, especially considering the increase of cases in recent years (1992 - 2014)

INFLUENCE OF THE HYDROELECTRIC POWER PLANT OF PASSO FUNDO LAKE (RS, BRAZIL) ON LOCAL RAINFALL PATTERN

The present study examined the influence of the Hydroelectric Power Plant (HPP) of Passo Fundo dam lake on local rainfall pattern. Daily rainfall data were obtained from the National Water Agency for two different periods: prior to the lake filling, 1960-1970 (pre-filling) and later to the lake filling, 1971-1981 (post-filling). Statistical measures (mean, maximum, minimum, standard deviation and coefficient of variation) and the Student’s t-test were applied to both periods regarding the monthly rainfall total. The Student's t-test was also applied to days with cumulative rainfall greater than 1 mm, 10 mm, 20 mm, 30 mm, 50 mm, 80 mm and 100 mm, to the number of dry days and to the monthly largest dry period. The results showed that only days with cumulative rainfall exceeding 50 mm (July), number of dry days in the month (June) and the monthly largest dry period (May and Nov) were influenced due to the formation of the dam lak

FINAL DESTINATION DIAGNOSIS OF SOLID WASTE GENERATED IN RURAL SETTLEMENTS IN THE SERTÃO OF PARAÍBA, BRASIL

The increasing use of natural resources, the advancement of technology, changes in the needs established by the modern population, constituted by cultural aspects contribute significantly to the increase of solid waste generation in the urban and rural environment, thus necessitating more and more of adequate disposal end. Therefore, the objective of this work was to diagnose the final destination / treatment of the solid waste generated in two rural settlements, located in the municipality of Pombal-PB. Field visits were made in the settlements, in order to know the forms of solid waste disposal. It was possible to verify that more than 80% of the residents of the settlements, burn waste as an alternative for the disposal / treatment of solid waste. With this result, it was observed the need for an environmental awareness regarding the sustainable disposition of these residues in rural settlements

分布型TOPMODEL流出解析法の開発とアマゾン川流域への応用

京都大学0048新制・課程博士博士(工学)甲第16384号工博第3465号新制||工||1524(附属図書館)29015京都大学大学院工学研究科都市環境工学専攻(主査)教授 寶 馨, 教授 椎葉 充晴, 准教授 山敷 庸亮学位規則第4条第1項該当Doctor of Philosophy (Engineering)Kyoto UniversityDA