Previsão de vazão

Previsão de Vazão

Início: 2013

Conclusão: 2016

Natureza: Pesquisa

Descrição:

O grupo de pesquisa de hidrologia de grande escala do IPH-UFRGS desenvolve pesquisas sobre metodologias de previsão de vazão, com ênfase para a previsão de cheias, para a previsão de vazões afluentes a reservatórios e para a previsão hidrológica baseada na previsão quantitativa de chuva.

Atualmente um dos principais focos do grupo de pesquisa é a previsão de vazão por conjunto, tema da tese de doutorado em andamento do aluno Fernando Mainardi Fan, e da dissertação de mestrado em andamento do aluno Vinicius Alencar Siqueira.

Coordenadores:

Walter Collischonn

Fernando Mainardi Fan

Vinicius Alencar Siqueira

Pesquisadores Integrantes:

Paulo Rógenes Monteiro Pontes

Diogo Costa Buarque

Ayan Fleischman

Rodrigo Cauduro Dias de Paiva

Por que pesquisar sobre previsão de vazões?

(veja o texto abaixo!)

Dentre os diferentes desastres naturais que acontecem ao redor do mundo, as inundações figuram entre os que causam maiores impactos às populações, em termos socioeconômicos (Moore et al., 2005).

Cheia na cidade de Montenegro (RS) após a cheia do rio Caí.

 O aumento no número de ocorrências de inundações com impactos devastadores observados recentemente no Brasil tem despertado cada vez mais o interesse de diversos setores da sociedade por medidas que permitam antecipar esses eventos, reduzindo seus impactos em termos de vidas e danos à propriedade.  Nesse contexto, os Sistemas de Alerta de Cheia (SAC) têm sido reconhecidos como uma das medidas mais efetivas.

O objetivo principal de um SAC é prever, com relativa antecedência e precisão, as condições futuras do rio, em pontos vulneráveis a inundação, para emitir avisos aos responsáveis pela defesa civil, a própria população residente, aos usuários de água, e aos operadores de obras hidráulicas na região (Alfieri et al., 2012; Moore et al., 2005; Tachini, 2003).  Um dos principais componentes de um SAC é um sistema de previsão de cheias.

Além disso, no contexto Brasileiro, os reservatórios são especialmente importantes para a geração de energia hidroelétrica, que representam entre 70% e 80%  da geração energética brasileira.

UHE Itaipu Binacional

 Além da busca pelo atendimento da demanda energética, o controle de cheias faz parte do planejamento da operação das hidroelétricas que compõem o Sistema Interligado Nacional (SIN), visando garantir a segurança estrutural das barragens e evitar impactos relacionados a cheias à jusante e à montante dos aproveitamentos. Neste sentido, existem várias restrições impostas à operação de diversas hidroelétricas brasileiras (Kyrillos, 2006).

 A consideração do uso adicional das usinas para controle de cheias causa um conflito com a geração de energia elétrica, uma vez que cada uso necessita de um diferente volume útil dos reservatórios (Bravo et al., 2008; Raupp, 2008). Ainda, apesar de este ser o principal conflito na operação de reservatórios no Brasil, outros problemas relacionados à tomada de água para irrigação e abastecimento de cidades, o uso dos lagos para navegação, e o controle da qualidade da água à jusante são conflitos que eventualmente podem ganhar espaço no planejamento da operação de usinas hidroelétricas.

 Dada a forte dependência de geração hidroelétrica da matriz energética brasileira e a complexidade da operação de cada usina, imposta pelas restrições e usos conflitantes,  a utilização de previsões hidrológicas é muito interessante para subsidiar o processo de tomada de decisão, podendo produzir benefícios pela redução dos danos decorrentes de cheias, pelo aumento da segurança da barragem e pela maior eficiência na geração de energia (Bravo et al., 2008; Hamlet et al., 2002; Maurer e Lettenmaier, 2004; Bravo, 2006).

Assim, o grupo de pesquisa HGE está focado em desenvolver novos conhecimentos e tecnologias na área de previsão de vazões, para que estes sejam aplicados em sistemas de alerta de cheias e em sistemas de previsão de vazão afluente para a operação de reservatórios, entre outros usos, que possam trazer benefícios diversos para a sociedade.

Algumas pesquisas já realizadas

Dentre alguns trabalhos já realizados pelo grupo de pesquisa, encontram-se o desenvolvimento de modelos hidrológicos para a previsão, ensaios experimentais, e sistemas operacionais de previsão para diversas bacias hidrográficas brasileiras.

Algumas destas áreas são:

• Rio São Francisco
• Rio Tocantins
• Rio Paraopeba
• Rio Paranaíba
• Rio Paraná
• Rio Uruguai
• Rio Grande
• Rio Pelotas
• Rios Taquari-Antas

Alguns trabalhos desenvolvidos também foram focados em desenvolver soluções técnicas  relacionadas com previsões de vazões, como o desenvolvimento de programas para a verificação da qualidade de dados telemétricos.

Pesquisas atuais

Atualmente a pesquisa sobre previsão de vazão está se concentrando sobre métodos de previsão de vazão por ensemble, ou conjunto.

Nesta metodologia, procura-se levar em conta as incertezas ineretes ao processo de previsão para a realização das mesmas. Como as incertezas no modelo hidrológico, nos dados, ou nas previsões meteorológicas. Sendo esta última a modalidade mais comum de realização de previsões hidrológicas por conjunto.

Nesta modalidade, um sistema de previsão de cheias por ensemble normalmente utiliza um modelo hidrológico chuva-vazão, que é alimentado repetidamente com um conjunto de diferentes previsões meteorológicas, denominado ensemble de previsões meteorológicas (Cloke e Pappenberger, 2009).

Os modelos meteorológicos de previsão do tempo são bastante sensíveis às condições iniciais da atmosfera no momento em que são iniciados os cálculos da previsão, de tal forma que, se inicializados com condições iniciais ligeiramente diferentes, em pouco tempo simulam estados completamente diferentes da atmosfera (Lorenz, 1969). Mesmo que os modelos numéricos de previsão de tempo fossem perfeitos, esta dependência em relação às condições iniciais existiria, e pequenos erros na estimativa das condições iniciais poderiam levar a grandes erros na previsão (Mendonça e Bonatti, 2002).

Como o estado inicial da atmosfera nunca é perfeitamente conhecido, dificilmente será possível obter previsões determinísticas precisas de tempo com antecedências relativamente longas, tipicamente úteis para as aplicações em previsão e alerta de cheias.

Esta descoberta mostrou que melhorar a capacidade dos modelos de previsão de tempo na descrição dos fenômenos atmosféricos não é suficiente para obter boas previsões, e que é necessário levar em conta a incerteza associada as observações utilizadas na geração da condição inicial (Mendonça e Bonatti, 2002).

Além disso, modelos meteorológicos diferentes, em termos da representação física dos processos ou da resolução espacial, quando aplicados com as mesmas condições iniciais e de contorno, tendem a apresentar resultados diferentes após algumas horas ou dias de simulação, e nem sempre é possível identificar, a priori, o melhor modelo.

Previsões por ensemble permitem prever o resultado mais provável, como as previsões determinísticas, mas tem a vantagem de permitir estimar a probabilidade de ocorrência de eventos de interesse hidrológico, como a chuva total acima de um valor de referência (Buizza, 2008).

Exemplo de previsão por ensemble para a UHE Três Marias (MG).

Motivado pelo sucesso de sua utilização na meteorologia, ao longo dos últimos 10 anos, aproximadamente, os EPSs (Ensemble Prediction Systems) foram incorporados às metodologias de previsão de cheias, dando origem aos Sistemas de Previsão Hidrológica por Ensemble (H-EPSs) (Demeritt et al., 2007; Cloke e Pappenberger, 2009; Gouweleeuw et al., 2005; Pietroniro et al., 2007).

 O objetivo de um H-EPS é fornecer informações sobre a incerteza das previsões hidrológicas, propondo, para cada intervalo de tempo de previsão, um conjunto de soluções a partir do qual se pode estimar a distribuição de probabilidade do preditor (Velázquez et al., 2011).

Exemplo de previsão por ensemble

Nesse sentido, o grupo de pesquisa HGE tem avançado na avaliação do uso de previsão de vazão por conjunto em estudos de caso brasileiros, tanto para o uso em sistemas de alerta de cheias como para a operação de reservatórios. Os objetivos das investigações têm sido focados na avaliação de resultados gerais desta técnica para bacias brasileiras, avaliação do benefício do uso desta técnica em relação à previsões determinísticas mais tradicionais, e no estudo de como as informações de incerteza podem ser melhor utilizadas para solucionar problemas.

O grupo de pesquisa HGE também participa da iniciativa HEPEX, onde o professor Walter Collischonn é o Regional Chair for South America. E o grupo participou como colunista convidado durante o ano de 2016.

Resultados mais atuais

Além dos resultados de pesquisas já realizadas, citados anteriormente, a lista abaixo apresenta algumas publicações recentes do grupo de pesquisa relacionadas com previsão de vazão por conjunto: