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APLICAÇÃO DO MODELO HIDROLÓGICO DE GRANDES BACIAS
(MGB-IPH) NA BACIA HIDROGRÁFICA DO RIO PIRACICABA, MG
Maytê Maria Abreu Pires de Melo Silva 1*; Sergio Donizete Faria2; Priscilla Macedo Moura3
Resumo – Os modelos hidrológicos são capazes de simular os fluxos de água no solo e na rede de
drenagem, o que proporciona maior entendimento do ciclo hidrológico, além de permitir avaliar os
impactos das ações antrópicas sobre os recursos hídricos. O Modelo Hidrológico de Grandes Bacias
(MGB-IPH) é um modelo hidrológico distribuído com forte embasamento físico, já utilizado com
sucesso na simulação de diferentes bacias brasileiras. O presente trabalho apresenta algumas etapas
de implementação do MGB-IPH na bacia hidrográfica do Rio Piracicaba, MG. Os resultados obtidos
permitem classificar o desempenho do modelo como satisfatório, pois as vazões calculadas e
observadas apresentaram boa correlação, indicando que os conjuntos de parâmetros utilizados podem
fornecer estimativas consistentes de vazões em estudos de predição e previsão na bacia.
Palavras-Chave – simulação hidrológica, recursos hídricos, hidrologia.
HYDROLOGICAL MODEL APPLICATION OF LARGE RIVER BASINS
(MGB-IPH) IN THE BASIN OF RIO PIRACICABA, MG.
Abstract – Hydrological models are able to simulate the flow of water in soil and drainage system,
which provides greater understanding of the hydrological cycle, and allows us to evaluate the impacts
of human activities on water resources. The Hydrological Model of Large River Basins (MGB-IPH)
is a distributed hydrologic model with physical foundation, already successfully used in the
simulation of different Brazilian basins. This paper presents some implementation steps MGB-IPH
in the basin of Rio Piracicaba, MG. The results obtained to classify model's performance as
satisfactory, as the calculated flow rates and observed showed good correlation, indicating that the
sets of parameters used can provide consistent estimates of flows in prediction and forecasting studies
in the basin.
Keywords – hydrological simulation, water resources, hydrology.
INTRODUÇÃO
Para a gestão dos recursos hídricos, assim como em projetos de obras hidráulicas é fundamental
o entendimento dos processos hidrológicos. O comportamento hidrológico em uma bacia hidrográfica
envolve a integração da variabilidade espacial e temporal de vários processos. A dinâmica e tempo
de permanência da água em cada compartimento do solo e atmosfera influenciam, entre outros, a
disponibilidade hídrica, a ocorrência de inundações e a dinâmica de nutrientes e poluentes. A busca
pelo entendimento dessas inter-relações tem contribuído para o desenvolvimento da modelagem
hidrológica, que representa de forma simplificada um sistema e é utilizada como ferramenta para se
IFTM - Instituto Federal do Triângulo Mineiro – [email protected]
UFMG – Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Cartografia – [email protected]
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UFMG – Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Hidráulica e Recursos Hídricos – [email protected]
* Autor Correspondente
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obter conhecimento mais aprofundado a respeito dos fenômenos físicos envolvidos e na previsão de
cenários (Moraes, 2003).
Existem diferentes modelos hidrológicos, sendo alguns mais adequados para aplicação em
grandes bacias, outros em pequenas. O Modelo Hidrológico de Grandes Bacias – MGB-IPH
(Collischonn, 2001) é caracterizado como um modelo distribuído, viabilizado pela discretização da
bacia hidrográfica em unidades de simulação (células) uniformes e quadradas, através de sistemas de
informações geográficas (SIG). O modelo simula o processo de transformação da chuva em vazão
em grandes bacias, superiores a 10.000 km2.
Diante deste contexto, o objetivo do presente trabalho foi realizar a modelagem hidrológica do
tipo chuva–vazão e apresentar os processos de calibração para a bacia do Rio Piracicaba –MG
utilizando o modelo hidrológico MGB-IPH.
METODOLOGIA
Descrição da área de estudo
A bacia hidrográfica do Rio Piracicaba está localizada no leste do estado de Minas Gerais,
sendo o rio principal, o Piracicaba, um dos principais afluentes da bacia hidrográfica do Rio Doce.
Na Figura 1 é apresentado um mapa de localização dessa bacia.
Figura 1 – Mapa de localização da bacia hidrográfica do Rio Piracicaba.
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A bacia do Rio Piracicaba abrange 21 municípios, total ou parcialmente inseridos em seus
limites. As seguintes sedes municipais se encontram localizadas na bacia: Antonio Dias, Barão de
Cocais, Bela Vista de Minas, Bom Jesus do Amparo, Catas Altas, Coronel Fabriciano, Ipatinga,
Itabira, Jaguaraçu, João Monlevade, Marliéria, Nova Era, Rio Piracicaba, Santa Bárbara, Santana do
Paraíso, São Domingos do Prata, São Gonçalo do Rio Abaixo e Timóteo e as demais Alvinópolis,
Mariana, Ouro Preto, fora da bacia.
A nascente do Rio Piracicaba está localizada a 1680 m de altitude em uma das vertentes da
Serra do Caraça, na Região do Quadrilátero Ferrífero, no distrito de São Bartolomeu, município de
Ouro Preto. Sua extensão total é de aproximadamente 241 km até sua foz no Rio Doce, localizada
entre os municípios de Ipatinga e Timóteo.
A água da bacia é predominantemente utilizada para o abastecimento industrial, que
corresponde a 51% do total de retiradas estimadas. Dada a densidade populacional, o abastecimento
humano é o segundo maior uso consuntivo, respondendo por aproximadamente 44% das retiradas.
Os usos na irrigação e dessedentação animal são pouco expressivos (ECOPLAN–LUME, 2010).
Descrição do modelo utilizado
O Modelo Hidrológico de Grandes Bacias – MGB-IPH (Collischonn, 2001) é caracterizado
como um modelo distribuído, desenvolvido para simular o processo de transformação da chuva em
vazão em grandes bacias (maiores que 10.000 km2). Foi inicialmente baseado nos modelos LARSIM
(Bremicker, 1998) e VIC (Liang et al., 1994), com algumas modificações nos módulos de
evapotranspiração, percolação e propagação de vazões.
A propagação do escoamento gerado é feita com o modelo do reservatório linear e, para a
propagação no canal, utiliza-se o modelo de Muskingum-Cunge (Tucci, 2005). A evapotranspiração
potencial é calculada com a equação de Penman-Monteith (Monteith, 1965).
Dados climatológicos e hidrológicos utilizados
A precipitação, temperatura do ar, velocidade do vento, pressão atmosférica, insolação e
umidade do ar, são os dados hidrológicos e climatológicos necessários como dados de entrada para
simulações hidrológicas, no modelo utilizado.
Esses dados foram obtidos da Agência Nacional de Águas (ANA), entidade que opera as redes
fluviométricas e hidrometeorológicas do território nacional. A ANA disponibiliza informações
fluvio-pluviométricas de estações na sua página na internet (http://www.ana.gov.br).
Características físicas da bacia
É necessário a obtenção do relevo do terreno, limites da bacia, usos do solos, classes de vegetação
e tipos de solos existentes na bacia:
 Relevo: obtido através de imagens SRTM, geradas pela Shuttle Radar Topography Mission,
da National Geospatial-Intelligence Agency– NGA e NASA. Esses dados podem ser obtidos
diretamente pela página eletrônica do Earth Resources Observationand Science Center –
CEROS (www.eros.usgs.gov/#/Home) ou da Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária –
EMBRAPA (www.relevobr.cnpm.embrapa.br/download).
 Limites da bacia: são obtidos através de arquivos digitais no formato vetorial (polígonos),
disponibilizados pelo site da ANA.
 Usos do solo e vegetação: o mapeamento da vegetação existente e do uso do solo pode ser
feito por meio do processamento de imagens de satélite (a classificação). No presente trabalho,
são utilizadas imagens RapidEye, que apresentam 5 metros de resolução espacial.
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 Solos: os dados referentes aos tipos de solos são disponibilizados pelo CPRM – Serviço
Geológico do Brasil, através do site http://www.cprm.gov.br (no formato raster).
Os dados de entrada referentes às características físicas da bacia foram processados para tornálos compatíveis em escala e formatos para as etapas seguintes. Todos os mapas devem apresentar a
mesma resolução espacial (90 metros) das imagens SRTM.
Para o mapeamento do uso e cobertura da terra foram utilizadas imagens de satélite RapidEye
de 2010, cuja resolução espacial é de 5 metros. Essas imagens foram mosaicadas, segmentadas e
classificadas pelo método Bhattacharya (INPE, 2004) de acordo com os diferentes classes de uso e
cobertura na bacia. Para validar a classificação do uso do solo, foi realizado um levantamento de
campo, com o auxílio de GPS (Global Position System), mapas e máquina fotográfica. Na
classificação são adotados 10 diferentes tipos uso e cobertura da terra na bacia: água, floresta
estacional semidecidual, eucalipto, campo de altitude/campo rupestre, agrícola (pastagem + cultivo),
área degradada, mineração, solo arado para eucalipto, urbano e afloramento rochoso, baseando-se em
atributos de textura e forma das imagens de satélite utilizadas.
O processamento e organização desses dados são necessários para a etapa seguinte, onde a bacia
hidrográfica é discretizada em mini-bacias, que associadas aos mapas de uso e tipos de solo, gera as
unidades de resposta hidrológica (URH).
Finalizada a etapa de pré-processamento é realizada a modelagem hidrológica, ou seja, ocorre
a transformação dos dados de chuva em valores de vazão de escoamento nas mini-bacias e na rede
hidrográfica. Para a simulação hidrológica na etapa de calibração dos parâmetros do modelo, utilizouse a série de dados de janeiro de 1990 a dezembro de 1998. A escolha desse período se deve à
disponibilidade de dados de vazão observados.
Para a calibração do modelo, os parâmetros fixos e calibráveis foram alterados até a obtenção
de um bom ajuste do modelo.
As vazões simuladas foram comparadas com as vazões observadas, e analisadas por meio do
Coeficiente de Eficiência de Nash-Sutcliffe, que, segundo Machado et al. (2003), é um dos critérios
estatísticos para avaliar a precisão dos modelos hidrológicos. O coeficiente é dado pela Equação 1:
∑(𝑸
−𝑸
)𝟐
𝑬 = 𝟏 − ∑(𝑸 𝒐𝒃𝒔− ̅𝑸 𝒆𝒔𝒕 )𝟐
𝒐𝒃𝒔
𝒐𝒃𝒔
(1)
na qual Qobs corresponde à vazão ou deflúvio observado, Qest à vazão ou deflúvio estimado e 𝑄̅𝑜𝑏𝑠 à
vazão ou deflúvio observado médio.O coeficiente E pode variar de infinito negativo até 1, sendo 1
referente ao ajuste perfeito entre vazões calculadas e observadas.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados da aplicação do modelo hidrológico são apresentados neste texto em termos de
valores atingidos das funções objetivo, hidrogramas de vazões diárias e mensais e curva de
permanência de vazões diárias.
São apresentados os resultados alcançados referentes a dois postos fluviométricos, devido a
estes apresentarem dados de vazão observados por um período significativo e simultâneo.
Na calibração do modelo MGB-IPH, a correlação entre as vazões calculadas (Qcalc) e
observadas (Qobs), para a estação 56696000, apresentou o coeficiente de Nash-Sutcliffe entre elas
igual a 0,821, o que permite classificar o desempenho do modelo como satisfatório. Na Figura 2 são
mostrados os hidrogramas das vazões calculadas e observadas para essa estação.
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Figura 2 – Hidrogramas das vazões calculadas e observadas na seção da estação 56696000 – bacia
do Rio Piracicaba: janeiro de 1990 a dezembro de 1998.
A curva de permanência das vazões diárias calculadas pelo modelo para a estação 56696000
mostra um ajuste razoável com a curva de permanência das vazões diárias observadas, conforme
mostrado na Figura 3. O modelo superestimou as vazões baixas em alguns períodos e subestimou as
vazões máximas, entretanto representa as variações hidrológicas sazonais.
Figura 3 – Curvas de permanência de vazões diárias observadas e calculadas para a estação
56696000 – bacia do Rio Piracicaba.
Na estação fluviométrica 56610000, o coeficiente Nash-Sutcliffe apresentou valor igual a
0,486, considerado aceitável. Na Figura 4 são apresentados os hidrogramas das vazões observadas e
calculadas para a referida estação.
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Figura 4 – Hidrogramas das vazões calculadas e observadas na seção da estação 56610000 – bacia
do Rio Piracicaba: janeiro de 1990 a dezembro de 1998.
Na Figura 5 é apresentada a curvas de permanência observada e calculada para a estação
56610000. O modelo subestimou todas as vazões, exceto as vazões mais baixas.
Figura 5 – Curvas de permanência de vazões diárias calculadas e observadas para o posto 56610000
na bacia hidrográfica do Rio Piracicaba.
Os hidrogramas apresentados (Figuras 14 e 16) mostram um bom ajuste do modelo com os
parâmetros adotados, considerando uma aderência satisfatória entre as curvas de vazões observadas
e calculadas.
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CONCLUSÕES
O gerenciamento dos recursos hídricos da bacia do rio Piracicaba, MG necessita de ferramentas
que permitam a melhoria das informações para a tomada de decisão quanto à outorga do uso da água,
identificar os impactos resultantes dos usos e para o alerta de inundações ribeirinhas. O modelo
hidrológico MGB, cuja calibração foi apresentada neste artigo, é uma das ferramentas que pode ser
utilizada neste contexto.
No modelo hidrológico as vazões calculadas e observadas apresentaram boa correlação, o que
permite classificar o desempenho do modelo como satisfatório, indicando que os conjuntos de
parâmetros utilizados podem fornecer estimativas consistentes de vazões em estudos de predição e
previsão na bacia.
O modelo hidrológico (MGB-IPH) é de fácil manuseio e entendimento. Por ser implantado em
uma plataforma SIG gratuita, o modelo constitui numa excelente opção de ferramenta para o
gerenciamento de recursos hídricos a ser aplicado em qualquer bacia. A abordagem distribuída
permite que se represente melhor a geração do escoamento na bacia. Além disso, o uso de informações
de tipo e uso do solo permitirá a avaliação do impacto de mudanças da cobertura vegetal sobre os
processos hidrológicos nas bacias.
REFERÊNCIAS
BREMICKER, M. (1998) Aufbau eines Wasserhaushaltsmodells für das Weser und das Ostsee
Einzugsgebiet als Baustein eines Atmosphären-Hydrologie-Modells. Dissertation (Doktorgrad),
Geowissenschaftlicher Fakultät der Albert-LudwigsUniversität. Freiburg. Germany.
COLLISCHONN, W. (2001) Simulação hidrológica de grandes bacias. 270 p. Tese (Doutorado em
Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS),
Porto Alegre.
ECOPLAN – LUME. (2010). Plano de ação de recursos hídricos da unidade de planejamento e
gestão dos recursos hídricos Piracicaba: PARH Piracicaba. Belo Horizonte: ECOPLAN – LUME,
97 p. (Relatório Técnico do Consórcio Ecoplan Lume).
INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS (INPE). (2004) Sistema de Processamento
de Informações Georreferenciadas (SPRING). Manual do Usuário. São José dos Campos.
LIANG, X.; LETTENMAIER, D. P.; WOOD, E. F.; BURGES, S. J. (1994). A simple hydrologically
based model of land surface water and energy fluxes for general circulation models. Journal of
Geophysical Research, Vol. 99, n. D7, pp. 14415- 14428.
MACHADO, R. E.;VETTORAZZI, C. A.; CRUCIANI, D. E. (2003). Simulação de escoamento em
uma microbacia hidrográfica utilizando técnicas de modelagem e geoprocessamento. Revista
Brasileira de Recursos Hídricos, v. 8, n. 1, p. 147-155.
MONTEITH, J. L. (1965). Evaporation and environment. Symp. Soc. Expl. Biol., n. 19, p. 205-234.
MORAES, J. M. (2003). Propriedades físicas dos solos na parametrização de um modelo hidrológico.
Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v.8, n.1, p.61-70.
TUCCI, C. E. M. (2005). Modelos hidrológicos. 2. ed. Porto Alegre: Editora da UFRGS. 678 p.
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