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Seminário sobre Recursos
Hídricos e Agricultura
2 de outubro de 2013
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Modelagem e simulação hidrológica em
bacias hidrográficas – aplicações e desafios
Prof. Samuel Beskow
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Recursos hídricos e agricultura
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e desafios 3
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Cenário atual de recursos hídricos
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Consequências das ações antrópicas
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Gestão de recursos hídricos
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Fonte: Unesco* *Agência Nacional de Águas. 2011. O Comitê de Bacia Hidrográfica: o que é e o que faz? Brasília: SAG. 64p.
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Recursos hídricos x Hidrologia x Modelagem
Hidrologia • Ciência
Fenômenos
naturais • Ciclo hidrológico
Complexos
• Vários fatores envolvidos;
• Dificulta a análise quantitativa e qualitativa;
Modelo
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
7
Estudar processos
hidrológicos
Descrever passado
Fazer previsões
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Conceitos aplicados à modelagem
Terminologia
Sistema
Modelo
Simulação
Fenômeno
Variável
Parâmetro
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios 8
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Conceitos aplicados à modelagem
Sistema natural de interesse
Bacia hidrográfica
Necessidade:
monitora-mento
Objetivo do
Monitora-mento
Modelo hidrológico
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Sistema de Informações Geográficas (SIG)
Integração SIG e Hidrologia: natural (Singh e Fiorentino, 1996);
Singh, V. S.; Fiorentino, M. 1996. Geographical Information Systems in Hydrology. Dordrecht: Kluwer
Academic Publishers.
Fonte: Singh & Fiorentino
(1996)
Fonte: Adaptado de Singh & Fiorentino
(1996)
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Etapas para modelagem hidrológica
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Definição • Bacia
hidrográfica;
• Problemas;
Monitora-mento
• Processos hidrológicos;
Modelagem • Modelo;
Simulação • Tomada
de
decisões;
• Gestão; Avançar
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Etapas (Definição)
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Etapas (monitoramento)
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
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Etapas (modelagem)
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Modelo hidrológico
Avaliação de cada etapa
desenvolvida
Estruturação de algoritmos apropriados
para o local de interesse
Escolha do ambiente de
programação e ferramentas
Definição dos problemas a
serem resolvidos
Entendimento dos processos
hidrológicos
Análise das variáveis que influenciam
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Etapas (simulação)
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Reflexão (Beven, 2001; Tucci, 2005) Por que usar um modelo hidrológico se é possível
medir variáveis hidrológicas?
Tucci, C. E. M. 2005. Modelos hidrológicos. 2 ed. Porto Alegre: Editora da UFRGS.
Beven, K. J. 2001. Rainfall-runoff modelling: the primer. Chichester: John Wiley & Sons Ltd. 16
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Aplicações da simulação hidrológica
Balanço hídrico;
Extensão de séries;
Estruturas hidráulicas;
Curva de permanência;
Previsão em tempo real;
Modificação de uso do solo e do clima;
Erosão hídrica e transporte de sedimentos; Qualidade de água;
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Aplicações da simulação hidrológica:
balanço hídrico
Viola, M. R. 2008. Simulação hidrológica na região Alto Rio Grande à montante do Reservatório de
Camargos/CEMIG. Lavras: UFLA. Dissertação de Mestrado.
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Aplicações da simulação hidrológica:
extensão de séries
Série de precipitação (01/01/1994-31/12/2008) na bacia hidrográfica do Arroio
Pelotas e de vazão do Arroio Pelotas, seção de controle na Ponte Cordeiro de
Farias, em Pelotas-RS, considerando o período entre 1994 e 2004.
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Aplicações da simulação hidrológica:
estruturas hidráulicas
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Aplicações da simulação hidrológica:
curva de permanência
Curva de permanência do Arroio Pelotas, seção de controle na Ponte Cordeiro de
Farias, em Pelotas-RS, considerando dados de vazão do período entre 1999 e
2005.
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Aplicações da simulação hidrológica:
previsão em tempo real
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Aplicações da simulação hidrológica:
modificação de uso do solo e do clima
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Motivação para modelagem e simulação
hidrológica no Brasil
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Dados hidrológicos (ANA): Rio Grande do Sul
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Modelo hidrológico LAvras Simulation of
Hydrology (LASH)
26 Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Desenvolvimento da PRIMEIRA VERSÃO
27
Instituições Equipe
Samuel Beskow
Carlos R. de Mello
Delphi
SIG ArcGIS
Marcelo R. Viola
Lloyd D. Norton
Programação
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Embasamento teórico do LASH
28 Viola, M. R. 2008. Simulação hidrológica na região Alto Rio Grande à montante do Reservatório de
Camargos/CEMIG. Lavras: UFLA. Dissertação de Mestrado.
Classificação;
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Embasamento teórico do LASH
29
Divisão da bacia hidrográfica;
Balanço hídrico;
Componentes simulados.
Beskow, S.; Mello, C. R.; Norton, L. D.; Silva, A. M. 2011. Performance of a distributed semi-conceptual hydrological
model under tropical watershed conditions. Catena 86: 160-171.
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Dados de entrada do modelo LASH
30
Mapas
DEM
Uso
Solo
Tabela
s Dados
meteorológicos
Parâmetros (uso)
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Otimização do LASH para uma bacia
31
Calibração automática Shuffled Complex
Evolution (SCE-UA) (Duan et al., 1992);
Seleção de parâmetros.
Duan, Q.; Sorooshian, S.; Gupta, V. 1992. Effective and efficient global optmization for conceptual rainfall-runoff
models. Water Resources Research 28(4): 1015-1031.
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Dados de saída do modelo LASH
32
Vis
ual
Hidrograma observado
Hidrogramas simulados
Estatísticas de precisão
Tabela
s p
ara
export
ar
Hidrograma simulado para cada iteração
Parâmetros e estatísticas para
cada iteração
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Aplicação para a bacia hidrográfica do
Ribeirão Jaguara (Minas Gerais)
33
Fonte: Beskow et al.
(2011)
Beskow, S.; Mello, C. R.; Norton, L. D.; Silva, A. M. 2011. Performance of a distributed semi-conceptual hydrological
model under tropical watershed conditions. Catena 86: 160-171.
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Aplicação para a bacia hidrográfica do
Ribeirão Jaguara (Minas Gerais)
34
Curvas de permanência observada e simulada e vazões mínimas e máximas
anuais observadas e simuladas pelo modelo LASH, na bacia hidrográfica do
Ribeirão Jaguara (Minas Gerais). Fonte: Beskow et al. (2013)
Beskow, S.; Norton, L. D.; Mello, C. R. 2013. Hydrological prediction in a tropical watershed dominated by Oxisols
using a distributed hydrological model. Water Resources Management 27(2): 341-363.
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Desenvolvimento da SEGUNDA VERSÃO
35
Instituições Equipe
Samuel Beskow
Carlos R. de Mello
Delphi
SIG ArcGIS
Biblioteca OpenGL
Zeoslib
Firebird
Python
Marcelo R. Viola
Lloyd D. Norton
Orientados
Programação
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Estrutura de banco de dados da segunda
versão do LASH
36 Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
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Banco de dados (estações de monitoramento)
37 Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
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Alguns mapas no ambiente do LASH
38 Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
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Módulo de visualização de resultados
39 Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
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Módulo do LASH no SIG ArcGIS
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Desafios da modelagem e simulação
hidrológica
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Escala dos processos hidrológicos
Desenvolvimento de modelos apropriados para cada situação
Calibração de modelos
Formação de recursos humanos
Avançar
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Escala dos processos hidrológicos
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Lavoura ou propriedade Parcela Bacia hidrográfica
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Calibração dos modelos
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Formação de recursos humanos
Modelagem e simulação hidrológica em bacias hidrográficas - aplicações e
desafios
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Prof. Dr. Samuel Beskow CDTec/Engenharia Hídrica - Universidade Federal de Pelotas (UFPel)
Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos - UFPel
Campus Porto - Rua Gomes Carneiro, 01
Pelotas - RS CEP 96010-610
Fone: (53) 3921-1240 ou (53) 8142-2382
e-mail: [email protected] ou [email protected]
http://hidrica.ufpel.edu.br
http://ppgrechid.ufpel.edu.br