Estudo da influência da distribuição espacial e temporal da precipitação na resposta hidrológica de bacias urbanas de pequeno porte
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Talita Fernanda das Graças Silva
Luciana Peixoto Amaral
Fernando Neves Lima
Luciana Peixoto Amaral
Fernando Neves Lima
Resumo
Com a crescente ocupação urbana em locais suscetíveis a inundações, a gestão de
água da chuva está cada vez mais complexa. Portanto, informações sobre as características
das tempestades, contendo elevada resolução espacial e temporal são importantes para uma
adequada modelagem chuva-vazão, que tem como um de seus objetivos proporcionar a
melhoria das condições de previsões de inundações nas cidades. Diante dessa problemática,
o presente trabalho objetivou avaliar se existe influência da variabilidade espacial e temporal
da precipitação na resposta hidrológica de uma bacia hidrográfica urbana de pequeno porte,
por meio de duas abordagens, a primeira verificando a distribuição espaço-temporal dos
eventos observados que geraram alertas na bacia e a segunda através de modelagem dos
eventos com diferentes distribuições espaço temporais. Para essa pesquisa, foi escolhida a
bacia do Córrego Cachoeirinha que se encontra no município de Belo Horizonte, MG,
devido aos registros recorrentes de inundações no local. Para execução da metodologia,
primeiramente foram selecionados os eventos que emitiram alerta de inundação na bacia.
Foram utilizados os dados de precipitação das 42 estações de monitoramento de Belo
Horizonte, com registro de precipitação a cada 10 minutos. Mapas de campos de chuva para
os eventos foram criados para cada intervalo de 10 minutos, por meio da técnica
geoestatística do Inverso da Distância à Potência (IDW), através da ferramenta Zonal
Statistics as Table do ArcMap (versão 10.5). Por meio deste processo, foi possível obter o
valor da precipitação média em cada sub-bacia para cada evento de chuva e intervalo de
tempo, informações que foram usadas como dados de entrada no modelo. Para a modelagem
foi utilizado o modelo hidrológico chuva-vazão, Storm Water Management Model
(SWMM) definido na pesquisa de Siqueira, Moura e Silva (2019), com adaptações. O
modelo, composto de 35 sub-bacias foi calibrado manualmente com os dados de nível
d’água de alguns eventos observados. Após a calibração foi selecionado um novo grupo de
eventos observados que foram simulados no modelo e gerados eventos sintéticos de mesma
duração e total precipitado que os eventos observados escolhidos, rotacionando os campos
de chuva dos eventos observados. Além disso, um terceiro objetivo foi também explorado,
analisando-se se houve ganho na utilização da chuva de forma distribuída em relação à
concentrada na modelagem. A partir das análises realizadas, foi possível concluir que existe
influência da distribuição espacial e temporal da precipitação na resposta hidrológica da
bacia do Cachoeirinha, e que o modelo utilizado representou bem essas influências. A
mudança no sentido da precipitação modifica principalmente o tempo ao pico do
hidrograma. Conclui-se também que a maior parte dos eventos observados que geraram
alertas têm sentido correspondente ao do curso d’água principal, vindo de montante para
jusante na bacia. Ainda sobre o modelo, pôde-se concluir que as simulações tiveram melhor
desempenho com a utilização da precipitação de forma distribuída do que concentrada,
entretanto a melhor aderência dos resultados aos observados, avaliada por meio do
coeficiente de Nash, não foi muito expressiva.
Abstract
With the increasing urban occupation in flood susceptible areas, storm water
management is becoming more and more complex. Therefore, information about storm
characteristics, in high spatial and temporal resolution, is important for an adequate rainfallrunoff modeling that can be used to improve the conditions of flood forecast in cities. In the
light of this problem, the present study aimed at assessing whether the spatio-temporal
variability of precipitation influences the hydrological response of a small urban watershed.
Two approaches were used: the first was to verify the spatio-temporal distribution of the
observed extreme events in the catchment and the second was to model events with different
precipitation time and space distributions. For this research, I chose the Cachoeirinha
catchment, located in Belo Horizonte, MG, due to its recurrent flood records. In order to
undertake the methodology, I firstly selected the events that generateda flood alert in the
catchment. To do so, precipitation data with 10-minutes temporal resolution from 42
monitoring stations in Belo Horizonte were used. Secondly, rainfall fields of the events were
created for each 10-minutes interval, by applying the geostatistical technique of Inverse
Distance Weighting (IDW) using the Zonal Statistics as Table from ArcMap (version 10.5).
By doing that, it was possible to obtain the average rainfall in each sub-catchment for each
rain event and time interval, which was then used as input in the model. Following, I adapted
and used the rainfall-runoff model Storm Water Management Model (SWMM) for
subsequent simulations as in Siqueira, Moura and Silva (2019). The model composed of 35
sub-catchments was manually calibrated with water level data from some observed events.
After calibration, a new group of observed events was selected, which were simulated in the
model and generated synthetic events of the same duration and total precipitate as the chosen
observed events, rotating the rainfall fields of the observed events. In addition, a third
objective was also explored, by analysing whether there was a gain in using spatially
distributed rainfall in comparison to the lumped modeling approach. From the analysis
outputs, it was possible to conclude that the hydrological response of the Cachoeirinha
catchment is influenced by the spatial and temporal distribution of the precipitation and that
the model correctly represented these influences. The changes in the spatio-temporal
distribution of the precipitation mainly affect the time to the peak of the hydrograph. It was
also concluded that most of the observed events with flood alert have the same direction of
the main watercourse, coming from upstream to downstream in the catchment. Additionally,
it was possible to conclude that the simulations performed better with the use of the
distributed approach than the lumped one. However the improvement, assessed using the
Nash coefficient, was not very significant.
Assunto
Engenharia sanitária, Recursos hídricos - Desenvolvimento, Precipitação (Meteorologia), Córrego Cachoeirinha (MG), Inundações
Palavras-chave
Distribuição espaço-temporal da precipitação, Precipitação, Flash foods, Modelagem chuva-vazão