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

Abstract

Soil 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.