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APLICAÇÃO PRELIMINAR DO MODELO MGB-IPH PARA A BACIA
HIDROGRÁFICA COMPLETA DA LAGUNA DOS PATOS
Vitória Ache Rocha Lopes 1* & Fernando Mainardi Fan 2& Walter Collischonn3& Paulo Rógenes
Monteiro Pontes4 & Vinícius Alencar Siqueira5
Resumo – A bacia hidrográfica da Laguna dos Patos detém grande importância econômica, social e
ambiental para o estado do Rio Grande do Sul abrangendo importantes cidades do RS e inúmeras
áreas de preservação ambiental. Apesar disso, sua hidrologia ainda foi pouco estudada de forma
integrada. Considerando a importância dos estudos hidrológicos para o planejamento econômico e
ambiental, o presente estudo apresenta uma etapa inicial de modelagem de toda a bacia hidrográfica
da Laguna dos Patos, visando a viabilizar uma série de análises hidrológicas, como o impacto das
mudanças do uso do solo ou da variabilidade climática e de eventos extremos de cheias e estiagens.
Neste primeiro momento o modelo hidrológico MGB-IPH foi utilizado para simular todas as bacias
contribuintes aos complexos lagunares costeiros do RS, incluindo as bacias dos rios Jaguarão,
Piratini, Camaquã, Jacuí, Taquari, Caí, Sinos e Gravataí, na forma de um só modelo computacional.
A aplicação preliminar foi avaliada comparando resultados do modelo em locais com séries de
dados de vazão observada. Os resultados foram satisfatórios na maior parte dos pontos de análise.
Numa próxima etapa o modelo será adaptado para permitir a simulação conjunta de bacias, rios e
lagos de forma fisicamente coerente.
Palavras-Chave – Laguna dos Patos, Calibração, MGB-IPH.
PRELIMINARY APPLICATION OF THE HYDROLOGICAL MODEL MGBIPH FOR THE LAGUNA DOS PATOS BASIN IN BRAZIL
Abstract –The hydrological basin of Laguna dos Patos is of great economic, social and
environmental importance to the state of Rio Grande do Sul, covering important cities and several
areas of environmental value. However, almost no research has been carried out to comprehend the
hydrological system of the basin as a whole. Considering the importance of these studies to
economic and environmental planning, it is intended with this research to model the hydrology of
this system in an integrated manner allowing for future studies which could verify the effects of
climate and soil use change and extreme events. Therefore, in this study, the MGB-IPH model was
used to simulate the catchments upstream of the lagoons, including the basins of the rivers
Jaguarão, Piratini, Camaquã, Jacuí, Taquari, Caí, Sinos and Gravataí, in one computational model to
which the lagoons will be added posteriorly. This preliminary application involved the comparison
of model results in sites where there is flow gauge data available. The results of model calibration
were satisfactory for most of the sub-basins evaluated. The next stage consists in the adaptation of
the model to allow for the simulation of the basins, lakes and rivers in an integrated and physically
coherent manner.
Keywords – Laguna dos Patos, hydrological modelling, MGB-IPH.
1
* Instituto de Pesquisas Hidráulicas IPH , [email protected]
Instituto de Pesquisas Hidráulicas IPH, [email protected]
³ Instituto de Pesquisas Hidráulicas IPH, [email protected]
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Instituto de Pesquisas Hidráulicas IPH, [email protected]
5
Instituto de Pesquisas Hidráulicas IPH, [email protected]
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INTRODUÇÃO
A bacia da Laguna dos Patos possui cerca de 180.000 km² e engloba alguns dos principais
centros urbanos do Rio Grande do Sul incluindo a região metropolitana da capital Porto Alegre. Sua
localização e delimitação estão representadas na figura 1. A Laguna representa um importante
papel econômico relacionado ao seu curso navegável com extensão de 258 km que liga a capital ao
porto de Rio Grande, onde se situam importantes terminais petroquímicos do estado do RS.
Ademais, existe uma vasta riqueza de fauna e flora relacionada com os complexos lagunares da
região, interligados por canais e banhados, e uma grande variedade de ecossistemas envolvidos por
essa bacia; assim como a presença de inúmeras unidades de conservação ambiental, dentre elas a
Estação Ecológica do Taim.
Figura 1: Localização da bacia da Laguna dos Patos
Os estudos hidrológicos são fundamentais para o entendimento do comportamento de uma
bacia hidrográfica e seus sistemas ambientais associados, e portando desempenham uma importante
função no planejamento propiciando o desenvolvimento econômico e ambiental da região analisada.
Apesar da importância da bacia hidrográfica da Laguna dos Patos, são escassos os estudos que a
retratam inteiramente de forma integrada. No entanto, existem pesquisas que contemplam as subbacias contidas na mesma, como a bacia do Rio Taquari-Antas (Larentis et al., 2008), do Rio Caí
(Pedrollo & Pedrollo, 2013), do Rio dos Sinos (Pereira et al., 2012), do Rio Alto Jacuí (MarangonLima et al. 2014), do Rio Camaquã (Lanna & Pedrollo, 2003) e da Lagoa Mirim (Oliveira et al.,
2015).
O presente trabalho utilizou ferramentas de modelagem de recursos hídricos em grandes
bacias, no caso o modelo MGB-IPH, para realizar a simulação completa da Bacia da Laguna dos
Patos e dessa forma promover o conhecimento de todos os sistemas hidrológicos atuantes na
mesma, verificando a contribuição de cada sub-bacia no corpo lagunar. Essa simulação envolveu,
até o momento, a calibração do modelo para todas as sub-bacias. Visa-se posteriormente culminar
na simulação hidrológica das bacias e lagoas (Mirim, dos Patos, Mangueira) em um só modelo
computacional combinado. O presente artigo descreve o primeiro passo nesta direção, apresentando
uma aplicação inicial de calibração do modelo MGB-IPH para todas as sub-bacias contribuintes à
Laguna dos Patos.
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O MODELO HIDROLÓGICO MGB-IPH
O modelo MGB-IPH foi desenvolvido para realizar simulações hidrológicas, representando os
processos de transformação chuva-vazão em bacias de grande escala, introduzido e detalhadamente
explicado por Collischonn et al. (2007). As suas etapas tradicionais de aplicação estão resumidas no
fluxograma representado na figura 2.
Figura 2: Fluxograma representando os passos necessários para a aplicação do modelo MGB-IPH
O MGB-IPH é utilizado de forma integrada com Sistemas de Informação Geográfica (SIG) o
que facilita expressivamente as etapas de pré-processamento (por meio da ferramenta PrePro) e pósprocessamento (Fan & Collischonn, 2014). Duas etapas fundamentais de pré-processamento,
anteriores à aplicação do modelo, consistem na discretização da bacia em mini-bacias e na definição
das Unidades de Resposta Hidrológica (URHs), detalhadas adiante.
BANCO DE DADOS
A figura 2 mostra os dados de entrada necessários para a utilização do MGB-IPH: Dados em
forma de mapas, como tipo e uso do solo, para a geração das URHs, e de relevo da área de interesse
para a discretização em mini-bacias; e dados hidrológicos, fluviométricos e pluviométricos, e
climatológicos. As considerações a respeito dos dados utilizados no presente estudo são feitas a
seguir.
Modelo Digital de elevação
Os dados de relevo, fundamentais para a realização da discretização em mini-bacias, foram
obtidos por meio do Modelo Digital de Elevação (MDE) do SRTM (Shuttle Radar Topography
Mission) com resolução espacial de 90 m e resolução vertical de 1 m. O MDE está representado na
figura 3. Apesar das limitações desses dados relacionadas com erros em certos locais devido à
presença de vegetação densa ou declividade demasiadamente elevada, os mesmos são apropriados
aos objetivos da modelagem proposta no presente estudo e foram amplamente testados em trabalhos
anteriores (Paz et al. 2008).
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Dados hidrológicos e climatológicos
Os dados diários de estações pluviométricas utilizados na simulação assim como os dados de
postos fluviométricos utilizados na calibração do modelo foram obtidos do sistema Hidroweb
mantido pela Agencia Nacional de Águas, ANA (http://hidroweb.ana.gov.br/). Foram utilizados 656
postos pluviométricos e 66 postos fluviométricos. Também foram obtidos dados de estações
uruguaias (5 estações fluviométricas e 7 pluviométricas). A localização das estações fluviométricas
e pluviométricas está representada na figura 3.
(a)
(b)
Figura 3: (a) MDE e localização dos postos fluviométricos e (b) postos pluviométricos
Os dados climatológicos de temperatura do ar, umidade relativa do ar, velocidade do vento,
pressão atmosférica e insolação foram obtidos do próprio banco de dados de normais climatológicas
do INMET, disponíveis no MGB-IPH (Fan e Collischonn, 2014). Estes dados são utilizados no
cálculo da evapotranspiração nas unidades de resposta hidrológica.
Mapa de Unidades de Resposta Hidrológica
As Unidades de resposta hidrológica representam as regiões que teoricamente possuem o
mesmo comportamento hidrológico e, dessa forma, influenciam diretamente os processos
hidrológicos simulados pelo modelo. Os mapas de URHs são comumente obtidos por meio da
reclassificação e combinação de mapas de tipos de solos e mapas de vegetação e/ou uso do solo.
Foi utilizado o mesmo mapa de URHs utilizado por Pontes et al. (2012). Este mapa foi
elaborado com base em mapas de tipos de solo da FAO (FAO, 2003), do projeto RADAM
BRASIL, e outros produtos mais detalhados de alguns estados brasileiros; e mapas de tipos de
vegetação oriundos da iniciativa GlobCover (Arino et al., 2012). Esses mapas foram reclassificados
e combinados gerando as Unidades de Resposta Hidrológica. As URHs da bacia objeto de estudo
estão representadas na figura 4(b).
DISCRETIZAÇÃO DA BACIA
A discretização da bacia em minibacias, unidades irregulares definidas a partir de dados de
relevo, é uma etapa fundamental para o funcionamento do MGB-IPH. No caso de presente estudo, a
definição manual de uma rede de drenagem artificial representando o Lago Guaíba e a Lagoa dos
Patos foi necessária para a discretização em minibacias nesses trechos. No futuro, novas
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discretizações serão ainda testadas para simular a vazão nesses corpos d’água. Como os lagos não
foram ainda simulados nesta aplicação, este fator não foi considerado relevante neste momento.
Também foi realizada a discretização da bacia em sub-bacias, macro áreas de drenagem que
abrangem uma grande quantidade de minibacias. As sub-bacias foram definidas conforme as
características hidrogeológicas da região de interesse com o objetivo de promover parâmetros
fisicamente representativos. No total foram definidas 31 sub-bacias e 1295 minibacias que estão
representadas na figura 4(a).
(a)
(b)
Figura 4: (a) Discretização da Bacia da Laguna dos Patos em mini-bacias e sub-bacias; (b)
Unidades de Resposta Hidrológica na Bacia da Laguna dos Patos
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A bacia foi calibrada para o período de 1º de Janeiro de 1990 a 31 de dezembro de 2010,
período de 20 anos correspondente a maior quantidade satisfatória de dados de precipitação e de
vazão. Os postos fluviométricos utilizados na calibração foram selecionados em função de sua
localização (preferencialmente a jusante dos maiores trechos de rio, procurando contemplar grande
parte das sub-bacias) e da disponibilidade e representatividade dos dados. Visou-se abranger todos
os rios principais que desaguam nos complexos lagunares. O coeficiente de Nash-Sutcliffe (NS) e o
erro do volume (∆V), métricas de desempenho do modelo hidrológico calibrado detalhadas por
Pontes et al. (2012), estão representados na figura 5 para todos os postos selecionados para
calibração.
A figura 5 mostra que na maioria dos postos fluviométricos foi obtido um coeficiente de
eficiência de Nash-Sutcliffe superior a 0,6, e em 8 locais o valor deste coeficiente foi superior a 0,7.
Os piores resultados foram encontrados na porção sul da bacia, que está localizada em território
uruguaio, e estão relacionados a uma menor disponibilidade de dados pluviométricos nesta região,
conforme pode-se observar na figura 3. Os hidrogramas calculados e observados dos postos mais à
jusante dos principais rios que deságuam na Laguna dos Patos (Jacuí, Taquari e Camaquã) estão
representados na figura 6. A tabela 1 contém as métricas de desempenho incluindo o coeficiente
Nash-Sutcliffe dos logaritmos das vazões (LogNS) métrica sensível aos períodos de recessão.
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(a)
(b)
Figura 5: Resultados da calibração (a) coeficiente Nash-Sutcliffe (b) erro do volume
(a)
(b)
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(c)
Figura 6: Hidrogramas observado e calculado para (a) Rio Taquari, (b) Rio Jacuí e (c) Rio Camaquã
Tabela 1 – métricas de desempenho para os principais rios que deságuam na Laguna dos Patos
∆V (%)
Rio
Código do posto Área de drenagem (km²)
NS
LogNS
Taquari
Jacuí
Camaquã
86720000
85900000
87905000
19.230
39.000
15.700
0,80
0,70
0,81
0,85
0,82
0,73
2,8
1,9
0,3
Observando os resultados das métricas representados na tabela 1, verifica-se o bom
desempenho do modelo ao simular o comportamento hidrológico dos principais afluentes da
Laguna dos Patos na parte central e norte da bacia. As áreas das bacias desses três rios representam
cerca da metade da área total das bacias que contribuem à Laguna dos Patos.
O modelo MGB-IPH, na versão utilizada neste estudo preliminar, utiliza o método de
Muskingum-Cunge para a propagação de vazão nos rios. Este método se caracteriza por sua
simplicidade o que permite tempos relativamente curtos de processamento, no entanto ele não serve
para representar adequadamente regiões de planície. Isso pode ser visualizado na figura 6 (b) na
qual se percebe que o hidrograma calculado tem picos superiores ao hidrograma observado, o que
ocorre porque a atenuação das cheias real não é adequadamente representada por esta versão do
modelo. Para aprimorar os resultados nos rios de baixa declividade, o próximo passo do trabalho
prevê a aplicação de uma nova versão do modelo MGB-IPH, em que a propagação de vazões será
calculada utilizando o método inercial, conforme descrito por Fan et al. (2014) e Pontes et al.
(2015).
CONCLUSÃO
Os resultados mostraram que o modelo é satisfatório para representar a hidrologia das
principais sub-bacias do sistema, porém foi detectada a necessidade de aprimorar o método de
propagação de cheias no modelo para obter melhores resultados em rios de baixa declividade.
Numa etapa seguinte deste trabalho será utilizada uma nova versão do modelo hidrológico, em que
é utilizado o método de propagação de vazões inercial, que é mais adequado para este tipo de
situação.
Esse estudo consiste no primeiro passo para a abordagem integrada da bacia da Laguna dos
Patos visando à realização de pesquisas futuras contemplando os seguintes temas: (i) avaliação do
efeito de mudanças de uso do solo sobre a hidrologia regional e água afluente ao complexo lagunar,
(ii) avaliação de possíveis mudanças climáticas e seus efeitos na hidrologia das bacias hidrográficas,
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água afluente às lagoas, e suas interações; (iii) avaliação do impacto da construção de obras
hidráulicas nos rios sobre o comportamento hidrodinâmico do complexo lagunar; (iv) reprodução e
análises de eventos extremos importantes que ocorreram no estado do Rio Grande do Sul.
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