Modeling of water levels from stream flows derived from geomorphological instantaneous unit hydrographs

Autor: Ogassawara, Jéssica Fernanda
Přispěvatelé: Dai Prá, Maurício, Beskow, Samuel
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2019
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFPEL
Universidade Federal de Pelotas (UFPEL)
instacron:UFPEL
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Um modelo de HUI amplamente utilizado é o de Clark (HUIC), para o qual diversas propostas geomorfológicas vêm sendo desenvolvidas, estabelecendo relações entre os parâmetros do HUIC e as características físicas das bacias hidrográficas. Recentemente a versão modificada do HUIC (ModClark) também vem sendo amplamente aplicada, com intuito de verificar o desempenho da simulação de hidrogramas de ESD em relação a discretização espacial das bacias. No tocante à gestão de cheias em bacias hidrográficas, a combinação de modelos hidrológicos e hidráulicos é de suma importância, pois possibilitam simular perfis da superfície de água e cotas de cheias. Sendo assim, o objetivo principal deste estudo foi avaliar uma ferramenta para estimativa de cotas de linha d’água originados em função de eventos extremos de chuva, combinando modelagem hidrológica por meio do ModClark e fundamentado em parâmetros geomorfológicos, com modelagem hidráulica. A área de estudo compreende a bacia hidrográfica experimental do arroio Cadeia (BHAC) que é uma importante sub-bacia da bacia hidrográfica do arroio Pelotas (BHAP), dotada de monitoramento hidrológico, localizada no sul do Rio Grande do Sul. Inicialmente, foram selecionados diferentes eventos de chuva-vazão e analisados os hietogramas e hidrogramas correspondentes. A separação do ESD referente a cada evento e quatificação de seu volume foram obtidos pelo Método das Inflexões e pela Regra dos Trapézios, respectivamente. Já o hietograma de precipitações efetivas foi obtido pelo método do Número da Curva (CN). O conjunto de dados acima mencionado foi usado como entrada para modelagem hidrológica baseada no ModClark aplicando o software HEC-HMS. Para a calibração dos parâmetros dos modelos, empregou-se o algoritmo Nelder Mead. Os dados de vazões de pico dos hidrogramas obtidos através da modelagem hidrológica foram utilizados como dados de entrada no software HEC-RAS para a modelagem hidráulica, visando à estimativa das cotas de cheias e do perfil longitudinal da linha d’água no trecho do curso d’água principal da BHAC em análise. Além destes dados, também foi necessário a obtenção de dados topobatimétricos de seções transversais que foram levantadas ao longo do curso d’água principal da bacia, bem como suas características geométricas e o coeficiente de rugosidade de Manning. Com base nos resultados obtidos, as principais conclusões deste estudo foram: a) as formulações geomorfológicas não são universais e necessitam ser utilizadas com cautela; b) as características fisiográficas da bacia em estudo tiveram grande influência sobre as propostas gemorfológicas; c) as propostas geomorfológicas exerceram influência no desempenho das estimativas de hidrogramas de ESD; d) a escolha da metodologia utilizada na modelagem hidrológica teve grande impacto nos resultados obtidos na modelagem hidráulica; e) os dados de entrada usados para modelagem hidráulica tiveram grande impacto na estimativa do nível de água associado às inundações. Given the lack of hydrological and meteorological monitoring in small and mediumsized watersheds and due to the current temporal discretization of the stream flow historical series freely available to the public, studies and development of techniques for estimating direct surface runoff (DSR) hydrographs have been increseangly conducted. Such studies have great relevance for the analysis of stream flows resulting from intense rainfall events. Among these techniques, the Instantaneous Unit Hydrograph (IUH) and the Geomorphological IUH (IUHGEO) theories deserve attention. Clark (CIUH) is a widely used IUH model and several geomorphological approaches have been developed for it by establishing relationships between CIUH’s parameters and watersheds’ physical characteristics. The modified version of the CIUH (ModClark) has been widely applied in order to verify its performance in relation to the discretization of the watersheds in modules. With regard to flood management in watersheds, the combination of hydrological and hydraulic models is of great importance, as it enables simulation of water levels and water surface profiles. In this context, the main objective of this study was to evaluate a tool for estimating water levels originated from extreme rainfall events, combining hydrological modeling – by means of the ModClark based on geomorphological parameters – and hydraulic modeling. The study area comprises the experimental Cadeia river watershed (CRW), an important sub-watershed of the Pelotas river watershed (PRW), which has active hydrological monitoring and is situated in the south of Rio Grande do Sul State. Different rainfall-runoff events were initially selected and the corresponding hyetograhs and hydrographs were then analyzed. The runoff separation and the DSR depth were determined for each event by the Inflection Method and the Numerical Integration, respectively, whereas, effective rainfall hyetographs were derived from the Curve Number (CN) method. The aforementioned dataset was used as input for hydrological modeling based on the ModClark applying the HEC-HMS software. With respect to the calibration of parameters, the Nelder Mead algorithm was taken into account. The peak stream flow values derived from hydrological modeling were used as input data in the HECRAS software for hydraulic modeling in order to compute water levels and water surface profiles in the streches under analysis of the Cadeia river. In addition, it was also necessary to obtain topographic and bathymetric data of cross sections that were surveyed along the main watercourse of the CRW, as well as their geometric characteristics and Manning’s roughness coefficient. Based on the results obtained, the main conclusions of this study were: a) the geomorphological approaches are not universal and need to be used with caution; b) the physiographic characteristics of the watershed under study had great influence on the geomorphological approaches; c) the geomorphological approaches exerted influence on the performance of the DSR hydrograph estimations; d) the choice of the methodology used in the hydrological modeling had a great impact on the results obtained in the hydraulic modeling; e) the input data used for hydraulic modeling had great impact on estimation of water level associated with floods.
Databáze: OpenAIRE
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