Modelagem hidrológica e hidrodinâmica integrada de bacias e sistemas lagunares com influência do vento

Abstract

A modelagem hidrológica-hidrodinâmica de bacias, rios e grandes corpos d’água, como lagos e lagunas, é usualmente realizada por meio do acoplamento externo entre modelos hidrológicos-hidráulicos e modelos hidrodinâmicos de duas ou três dimensões. Dessa forma, simulam-se com o modelo hidrológico-hidráulico as vazões nos rios afluentes e utiliza-se essa informação como entrada no modelo hidrodinâmico dos grandes corpos d’água. Essa abordagem permite considerações sobre a hidrodinâmica desses sistemas de forma detalhada. No entanto, quando o interesse é a simulação de níveis e áreas alagadas, por exemplo, para previsões de vazões ou realizações de estudos de mudanças climáticas, a mesma pode ser custosa e de difícil operacionalização. Dessa forma, o presente estudo foi desenvolvido para investigar uma abordagem alternativa, a simulação de bacias, rios e lagos e/ou lagunas com um só modelo hidrológico-hidráulico, o modelo MGB-IPH Inercial, avaliando a inclusão da influência do vento no algoritmo inercial de propagação de vazões na simulação, já que esse fator pode exercer influência importante em grandes corpos d’água. A área de estudo selecionada para testar essa abordagem consistiu na bacia hidrográfica da Laguna dos Patos, localizada no Brasil e no Uruguai. Os resultados mostraram que foi possível utilizar a abordagem integrada proposta no presente estudo na simulação dos níveis d’água na Laguna dos Patos, RS. Resultados das métricas de desempenho dos níveis foram comparados com a literatura, verificando similaridade com resultados obtidos por meio da abordagem tradicional. Analisou-se a influência da inclusão do efeito do vento no método inercial e propôs-se um ábaco para estimar o efeito máximo que o vento exerce sobre escoamentos de características específicas. Verificou-se que a inclusão da influência do vento melhorou a representação do sistema modelado, portanto, encorajando a utilização da versão modificada proposta nesse estudo na simulação de outros locais influenciados por esse fator. Testes realizados permitiram a obtenção de novos conhecimentos da técnica de modelagem utilizada, sinalizando melhorias com a utilização de conjuntos de dados de vento com maior disponibilidade temporal e espacial e com a utilização de dados de níveis d’água como condição de contorno de jusante. Estudos futuros viabilizados a partir deste trabalho englobam a utilização do modelo proposto em análises de mudanças climáticas e de uso do solo, reanálise de cheias históricas, como a cheia de 1941, e estabelecimento de sistemas de previsão dos níveis no Guaíba e na Laguna dos Patos.

Hydrological-hydrodynamic modelling of basins, rivers and large water bodies such as lakes and lagoons is usually performed by the external coupling of hydrological-hydraulic models and 2D or 3D hydrodynamic models. Therefore, the river discharges into the lake are calculated by the hydrologic-hydraulic model and then used as an input in the hydrodynamic model. This approach allows for detailed simulation of lake or lagoon hydrodynamics and circulation. However, when the objective is to simulate water levels and flooded areas, this approach may become too costly, making it difficult to stablish operational systems such as flood forecasting. Therefore, in the present study, an integrated approach is proposed by the use of one integrated hydrologic-hydraulic model, the MGB-IPH Inertial model, to simulate such complex systems including wind shear influence in the inertial flood routing algorithm. The study area was the Patos Lagoon basin, located in both Brazil and Uruguay. Results showed that it was possible to use the proposed approach to simulate flooded areas and water levels in the Patos Lagoon and Lake Guaíba. Results of performance indicators were compared to results available in the literature obtained by the use of 2D hydrodynamic models and similarity among them was verified. The influence of the wind shear inclusion on the inertial routing method was analyzed; an abacus and an equation were proposed to estimate the maximum influence wind shear can exert in a system under specific conditions. Improvement of model results were verified with the inclusion of wind effect in the flow routing algorithm, encouraging the use of the modified model in the simulation of other locations susceptible to wind influence. Tests performed allowed for the acknowledgment of factors that influence the modelling approach proposed. More spatially and temporally detailed wind data helped to improve results, such as the use of water level data as downstream boundary condition to include tide effects in the system. Future studies of the proposed model of the Patos Lagoon basin include climate change and land change effects on water levels, historical flood simulations, such as the famous flood of 1941, and the establishment of flood forecasting systems to predict lagoon water levels.