O que é modelagem hidrológica?
Modelagem hidrológica é uma representação simplificada de um sistema hidrológico e é utilizada para entender o comportamento da bacia hidrográfica. A modelagem permite a previsão de mudanças na bacia, melhorar o planejamento de uso estratégico, bem como otimizar a alocação de obras hidráulicas.
O que é HEC-HMS?
O HEC-HMS (Hydrologic Modeling System) é um software de livre acesso desenvolvido pelo corpo de Engenheiros dos EUA, essa ferramenta é amplamente utilizada em modelagem hidrológica, principalmente para os seguintes estudos:
- Cálculo de chuva efetiva;
- Hidrograma de projeto;
Identificação de objetos do Hec-HMS
Para modelagem no Hec-HMS é importante conhecer os objetos para identifica-los no software, porque existem métodos de cálculos diferentes para cada um deles.
Modelo Concentrado vs. Modelo Distribuído
A bacia a ser estudada pode ser avaliada tanto de forma concentrada quanto distribuída.
O modelo concentrado considera que as características da bacia (permeabilidade, tipo de solo, condições de umidade, etc.) são as mesmas para toda sua área de extensão.
O modelo distribuído, como próprio nome diz, fragmenta a área em sub-bacias e cada uma dela pode (ou não) ter uma dinâmica diferente entre si.
Para bacias pequenas, o modelo concentrado é recomendado, pois, a modelagem é mais rápida, geralmente, já satisfaz a demanda do estudo hidrológico com um nível de precisão aceitável e ainda exige pouco esforço computacional.
Para bacias maiores e/ou heterogêneas, é recomendado o modelo distribuído, pois esse tipo de análise requer mais cautela e acurácia na modelagem para melhor representar a realidade daquela região.
Exemplo Prático
Neste exemplo faremos uma dinâmica intercalando entre planilhas Excel e o software. O objetivo é mostrar passo a passo como captar os dados de entrada e quais deles devem ser inseridos para alimentar a simulação no Hec-HMS.
1 – Dados de Entrada
| Talvegue: | 1000 m | 1 km |
| Cota de crista: | 91 m | |
| Cota de base: | 90 m | |
| Δh: | 1 m | (Desnível do talvegue) |
| TR: | 100 anos | (Tempo de retorno) |
| A: | 2,50 km² | (Área de contribuição) |
2 – Criando projeto no Hec-HMS
Primeiramente clique em “File” e em seguida “New” para dar início a um novo projeto no software.
Ao clicar em “New”, irá aparecer a seguinte imagem na sua tela.
Atenção! Tenha cuidado com o diretório onde irá salvar seu arquivo. Para evitar travamentos na simulação recomenda-se criar uma pasta para salvar seus projetos do HEC-HMS diretamente na pasta c:/ (meu computador).
3 – Inserindo dados de precipitação no Hec-HMS
Clique em “components”, seguido de “create component” e “Time-Series Data para inserir os dados de precipitação do exemplo.
Abrirá uma janela pedindo o nome do posto pluviométrico, você pode alterá-lo de acordo com a sua preferência. Neste exemplo iremos manter o nome padrão oferecido pelo programa.
O principal dado de entrada da função “Time-Series Data” é o hietograma de projeto, ou seja, a distribuição temporal da chuva de projeto. Mas, como determinar o hietograma?
Iremos calcular esse parâmetro por meio do Método de HUFF, com base nos dados de entrada descritos anteriormente.
3.1 – Hietograma de projeto – Método HUFF
3.1.1 Tempo de Concentração (tc)
Obs.: Se o tc for inferior a 10 minutos, usar tc = 10 minutos.
Neste caso, vamos igualar o tempo de duração da chuva (td) = 1 hora. O ideal para este caso, é adotar o tempo de concentração como duração da chuva numa primeira simulação, mas depois realizar mais algumas simulações considerando duração da chuva como 1,5x, 2x o tempo de concentração. A duração adotada que representar a maior vazão de pico no hidrograma deve ser considerada como duração crítica. Quer saber mais sobre isso? Clique aqui e assista a aula.
3.1.2 Intensidade de chuva
Cada região possui uma equação de chuva que representa melhor o comportamento da precipitação. Nesse exemplo, utilizaremos a equação da cidade de PARANAVAÍ(PR) obtida no trabalho de Fendrich & Freitas (1986).
Para outros locais, essa equação deve ser procurada na literatura (livros, artigos, teses, dissertações, etc.) ou então através do software PLUVIO que possui um banco de dados com equações de várias cidades em todo o Brasil.
3.1.3 Precipitação Total (Pt)
Agora, faremos uma distribuição dessa intensidade de chuva no tempo. Para isso, precisamos descobrir, aplicando a equação abaixo, qual o volume total de precipitação que incidiu sobre a bacia hidrográfica.
3.1.4 Distribuição de HUFF
Esse método explora quatro distribuições para chuvas intensas com tempo de duração maior do que 3 horas (td > 3h). Cada distribuição foi nomeada como quartil, como pode ser visto no Livro de Drenagem Urbana e Controle de Enchente do Canholi.
O gráfico abaixo define as curvas dos quartis fundamentais para aplicação do método de HUFF.
| P: Precipitação no passo de tempo | t: Passo de tempo |
| Pt: Precipitação total | td: Duração total da chuva |
As curvas são adimensionais, ou seja, não possuem unidades de medida. O cenário de precipitação que estamos analisando possui duração de 1 hora, o que se enquadra na curva de 1º Quartil de HUFF cuja aplicação é para chuvas com duração até 12 horas. A tabela abaixo representa os eixos x e y respectivamente da curva de 1º Quartil.
A partir dessa tabela utilizaremos o valor de td = 1 hora e Pt = 69,0327 mm para encontrar os valores de distribuição temporal da chuva de projeto do nosso exemplo a fim de montar o hietograma.
Segue-se a mesma lógica para o cálculo de P, conforme a imagem abaixo:
A coluna P corresponde à precipitação acumulada ao longo do tempo. Com isso, o eixo y do nosso hietograma é a variação da precipitação (ΔP) calculada conforme a figura abaixo.
Com todas as colunas necessárias para o Método de HUFF (coluna t e ΔP), resulta-se no seguinte hietograma de projeto que servirá de entrada na simulação do HEC-HMS.
3.2 Dados de precipitação no Hec-HMS
Assim, iremos configurar o posto pluviômetro definindo o intervalo de tempo de simulação que é igual ao intervalo do hietograma.
O passo de tempo é cada 0,05 horas que corresponde a cada 3 minutos. No HEC-HMS esse parâmetro deve ser inserido na função “time interval” dentro das configurações do pluviômetro (Gage 1).
Em seguida, na função “time window” iremos determinar as datas de início e término da simulação.
Na aba “table” iremos inserir os dados de precipitação do hietograma, ou seja, a coluna ΔP calculada.
Os horários que ficarem vazios devem ser preenchidos com o valor 0 (zero). Para fazer isso automaticamente, selecione as células vazias, clique com o botão direito em cima delas e selecione a opção “FILL”, depois “Replace missing values” e digite 0 e em seguida OK.
4 – Inserindo a Bacia Hidrográfica no Hec-HMS
No Hec-HMS, clique em “Components”, em seguida “Create Components” e por último “Basin Model”. Insira um nome de sua preferência e clique em “CREATE”. No nosso exemplo, deixaremos o nome padrão sugerido pelo programa.
Após essa sequência, dê um clique-duplo em “Basin-1” para aparecer o layout de simulação.
Para fins de visualização, iremos adicionar o shapefile da bacia no ambiente de trabalho do Hec-HMS. Clique com o botão direito do mouse sobre a área em branco e em seguida clique em “Map Layers”. Irá abrir uma janela flutuante no programa, clique em “Add” e selecione o arquivo shapefile (.shp) da bacia hidrográfica do estudo.
O resultado será esse:
Não se preocupe com o sistema de coordenadas do sistema, pois neste exemplo, não utilizaremos informações georreferenciadas, logo, a inserção de shapefile no programa é somente para fins visuais e auxiliar na inserção dos elementos de modelagem.
No canto superior no software, clique no ícone “Subbasin creation tool”, clique em cima da figura da bacia hidrográfica que acabamos de adicionar e nomeie a subbacia.
Precisamos inserir a área (A= 2.5 km²) dessa bacia e escolher os métodos de cálculo que estarão presentes nela. Neste exemplo, escolhemos para método de perda (Loss Method) o modelo SCS Curve Number e o método de transformação (Transform Method) adotado foi o SCS Unit Hydrograph. Nos outros métodos foram deixados com a opção “none” que significa que essas técnicas não serão ativadas.
Em seguida, iremos definir os parâmetros de perda e de transformação, conforme requer os dois métodos citados. Na aba “Loss” o programa pede os valores da abstração inicial, CN e área impermeável.
O curve number (CN) é definido por meio da combinação de valores resultantes de análises de tabelas com características do tipo de solo, umidade antecedente e ocupação do solo. A determinação do valor passo a passo não será realizada nesse artigo, mas essa informação está disponível em outros artigos desse blog.
Para prosseguirmos com a modelagem, definiu-se o CN = 65.
A abstração inicial é calculada conforme as seguintes equações do método SCS, conforme observado no Livro Hidrologia Para Engenharia e Ciências Ambientais – Collischonn.
Passo 01: Infiltração potencial máxima (S)
Passo 02: Infiltração inicial (Ia)
Esse é o valor de abstração inicial que será inserido na aba “LOSS” do Hec-HMS.
Na aba “Transform” é pedido o “lag time”, ou seja, o tempo de resposta da bacia que é calculado utilizando o tempo de concentração (tc = 57 minutos), conforme a seguinte equação:
5 – Criando um modelo meteorológico no HEC-HMS
Esse componente é obrigatório e essencial para o sucesso da modelagem, pois ele irá conectar os dados de chuva à bacia hidrográfica.
Clique em “Components”, em seguida “Create component”, depois “Meteorologic Model”, nomeie e depois clique em “create”. No nosso caso, deixamos o nome padrão oferecido pelo sistema.
No canto esquerdo da tela, irá aparecer uma nova pasta com os dados. Clique em “Met 1”, em seguida na aba “Basins” selecione a opção “Yes” para incluir a subbacia nos dados meteorológicos.
Abaixo de “Met-1” clique em “Specified Hyetograph” para interligar os dados de chuva já inseridos no Time-Series Data à simulação meteorológica.
6 – Criando as especificações de controle no HEC-HMS
Por fim, é preciso criar um componente obrigatório chamado “Control Specifications” para definir o intervalo de simulação no Hec-HMS.
Clique em “Components”, em seguida “Create component”, depois “Control Specifications”, nomeie e depois clique em “create”. No nosso caso, deixamos o nome padrão oferecido pelo sistema.
O programa pede uma data e horário de inicio e de término de simulação. No nosso caso, iremos avaliar todo o período definido de precipitação. Para isso, insira as mesmas datas e horários especificados em “Gage 1” da pasta “Times-Series Data”.
7 – Executando a simulação no HEC-HMS
Definido os dados da bacia, de precipitação e de simulação, podemos executá-la.
Clique em “Compute”, em seguida “Create Compute”, depois “Simulation Run”, nomeie e clique em “create”. No nosso caso, deixamos o nome padrão oferecido pelo sistema.
Confira os passos da simulação e clique em “Next” para avançar as etapas e finalize com a opção “Finish”.
8 – Resultados
Terminada a simulação, é hora de conferir os resultados.
Ao clicar em “Graph”, o programa exibe o hietograma e o hidrograma de projeto, respectivamente.
No hietograma, localizado na parte superior, os blocos vermelhos representam o volume total de chuva na bacia, os blocos azuis é a parcela dessa precipitação que contribuiu para o escoamento superficial, ou seja, a vazão.
No hidrograma, localizado na parte inferior, está a resposta da bacia mostrando todo o processo ascendente, passando pela vazão de pico e depois diminuindo até cessar o escoamento.
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Assista também o vídeo abaixo
Referências Bibliográficas
CANHOLI. A. P. Drenagem Urbana e Controle de Enchentes. 2ed. São Paulo: Oficina de textos, 2005.
FENDRICH, R. Chuvas Intensas para Obras de Drenagem no Estado do Paraná. 2ª.Edição. Gráfica Vicentina Editora Ltda. Curitiba/PR, 2003, 101 p.
HYDROLOGIC ENGINEERING CENTER (HEC). HEC-HMS Hydrologic Modeling System. User’s Manual.Version 2.1. Davis: U.S. Army Corps of Enginees. 2002.
