CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DE MODELO DE PREVISÃO DE

CALIBRAÇÃO E VALIDAÇÃO DE MODELO DE PREVISÃO DE
INUNDAÇÕES EM TEMPO REAL DO MUNICÍPIO DE SÃO PAULO
André S. K. B. Sosnoski 1; Sara M. Pion* 2; Sandra Uemura 3; Flavio Conde 4
Resumo – O desenvolvimento de um modelo de previsão de inundações em tempo real
confiável e preciso passa por seguidas etapas de calibração e validação de seus resultados. O
Município de São Paulo juntamente ao corpo técnico da Fundação Centro Tecnológico de
Hidráulica (FCTH) desenvolve a implementação do modelo em tempo real para aprimorar o
Sistema de Alerta de Inundações do município e garantir qualidade e confiança às informações
publicadas. Neste artigo será descrito o procedimento de calibração e validação deste modelo,
utilizando o estudo de caso na bacia do Morro do S, tendo como referência os eventos ocorridos no
período chuvoso 2014-2015. Será discutida a validade deste procedimento e quais seriam as
alternativas para atingir resultados suficientes às necessidades exigidas, concluindo que
procedimentos simplificados são efetivos para aumentar a qualidade dos resultados. Aplicar
ferramentas de correção automática dos eventos seria a opção mais interessante para reduzir a
dependência de corpo técnico para a calibração.
Palavras-Chave – Modelo em tempo real, inundação, calibração.
CALIBRATION AND VALIDATION OF A REAL-TIME FLOOD
INUNDATION MODEL IN SÃO PAULO, BRAZIL
Abstract – The development of precise and reliable Real-time flood models needs constant
calibration and validation processes. São Paulo’s Municipality is working together with Fundação
Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH) to develop and implement the real-time model and to
improve São Paulo’s flood inundation alert system and reassure published information quality and
assuredness. The proceedings of calibrating and validating the model will be described in this
article using a case study with Morro do S basin, regarding events during 2014-2015 rainy season.
The validity of this procedure will be evaluated, taking into account the alternatives to achieve
sufficient results and all the required normative obligations. This brings to a conclusion that
simplified procedures are effective to enhance the results quality and by applying automatic
correction tools for the model, it will be possible to reduce human dependency in the processes
without excluding their expertise when calibrating the model.
Keywords – Realtime model, flooding, calibration.
1
Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH); [email protected]
Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH); [email protected]
3
Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH); [email protected]
4
Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH); [email protected].
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XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos
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INTRODUÇÃO
A cidade de São Paulo sofre repetidamente com os impactos de chuvas intensas e das
consequentes inundações. A impermeabilização das bacias urbanas e a ocupação de áreas de risco
caracterizam um cenário propicio para a redução dos tempos de concentração nas bacias e aumento
dos impactos à população.
Os agentes envolvidos no planejamento e defesa do território necessitam, portanto, de
agilidade na reação aos eventos e ferramentas confiáveis que sustentem seu plano de ações
estratégicas.
O desenvolvimento de um modelo de previsão de inundações em tempo real auxilia esta
necessidade do município e garante respaldo técnico para tomada de decisões. Trata-se de uma
representação simplificada da realidade, com o objetivo de compreender o seu comportamento e
respostas a diferentes estímulos. Segundo Tucci (1998), o modelo hidrológico é uma das
ferramentas que a ciência desenvolveu para melhor entender e representar o comportamento da
bacia hidrográfica e prever condições diferentes das observadas.
Para que o modelo represente de forma confiável o comportamento observado na bacia
hidrográfica, deve ser submetido a processos de calibração e validação. A fase de calibração
consiste em ajustes ou estimativas dos parâmetros que regem este comportamento; estes devem ser
ajustados de forma que, ao submeter-se o modelo a determinada condição de entrada real
conhecida, os resultados obtidos nas simulações do modelo se aproximem dos dados reais
observados nas mesmas condições.
A validação de um modelo é definida como o processo de demonstração de que o modelo
calibrado para um local específico é capaz de fazer previsões acuradas para períodos que se
encontram fora daquele utilizado na calibração (Refsgaard e Henriksen, 2004). Para Refsgaard
(1997) a validação pode ser definida como a comprovação de que um modelo, dentro do seu
domínio de aplicação, apresenta acurácia satisfatória, consistente com a aplicação que se pretende
dar ao modelo.
Este artigo apresenta a descrição e discussão do procedimento de calibração e validação do
modelo de previsão de inundações em tempo real, utilizando a interface do PCSWMM
(desenvolvida pela Computational Hydraulics International – CHI) no estudo de caso na bacia do
Morro do S, situada no Município de São Paulo, tendo como referência os eventos ocorridos no
período chuvoso de 2014 a 2015.
CARACTERIZAÇÃO DO MODELO
O modelo de cálculo selecionado pela Fundação Centro Tecnológico de Hidráulica (FCTH)
para simular as condições hidrológicas e hidráulicas para previsão de inundações em bacias do
Município de São Paulo foi o Storm Water Management Model (SWMM) da U.S. Environmental
Protection Agency (EPA), por meio da interface PCSWMM. Esta interface integra a modelagem
chuva-vazão para a estimativa de vazão e nível d’água na rede de drenagem e ferramentas de
Sistemas de Informação Geográfica (SIG) na estimativa da extensão de manchas de inundação.
Oliveira et al. (2014) destacam em seu estudo a aplicabilidade do PCSWMM no desenvolvimento
de sistemas de alerta a áreas vulneráveis à inundação, baseado na definição prévia de áreas
estratégicas de interesse.
O PCSWMM utiliza informações geomorfológicas disponibilizadas no Modelo Digital da
Cidade (MDC), desenvolvido pela Prefeitura de São Paulo. A partir do MDC, são produzidos os
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modelos digitais de terreno, que auxiliam no traçado das manchas de inundação, enquanto fornecem
a base para a caracterização física das bacias, como a determinação de sua declividade e largura
média e comprimento do talvegue.
As bacias são divididas em um conjunto de sub-bacias, cada qual com seus respectivos usos e
ocupação do solo, áreas permeáveis e impermeáveis. O cálculo das características de infiltração de
cada sub-bacia foi baseado na metodologia desenvolvida pelo SCS Curve Number (Soil
Conservation Service Runoff Curve Number). O valor médio de CN em uma determinada sub-bacia
foi definido a partir da média ponderada dos CNs dos usos em relação a área da mesma.
Foram ainda realizados levantamentos de campo a fim de caracterizar mais detalhadamente os
canais, traçando-se as seções transversais do canal principal e aferindo cotas nos pontos de
interesse.
Na simulação do escoamento sobre a bacia e os canais, foi utilizado o cálculo da onda
dinâmica, que tem como base as equações completas de Saint-Venant.
Estudo de caso
A bacia do Morro do S está localizada na zona sul do município de São Paulo (Figura 1 e
Figura 2). Trata-se de uma região densamente ocupada, com histórico de recorrentes inundações. O
córrego principal é o Morro do S, formado por dois afluentes principais, Córrego Moenda Velha e
Córrego Água dos Brancos/Capão Redondo.
Figura 1 – Localização da Bacia Hidrográfica do Morro do S, Município de São Paulo - SP
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347
306
1000853
Figura 2 – Bacia hidrográfica do Morro do S e identificação de respectivos pontos de monitoramento telemétrico
Esta bacia possui três pontos de monitoramento telemétrico (identificados na Figura 2), que
enviam as condições de cota d’água de 10 em 10 minutos, cujos dados são utilizados nos
procedimentos de calibração e validação.
 Posto 347 - Córrego Morro do S - Rua Joaquim Nunes Teixeira
 Posto 306 - Córrego Morro do S - Campo Limpo (PMSP/CL-02)
 Posto 1000853 - Córrego Morro do S - Capão Redondo (PMSP/CL-01)
Metodologia de Calibração e validação
A interface PCSWMM não permite correções em tempo real dos parâmetros do modelo, ou
seja, não permite que os procedimentos de calibração sejam autorregressivos. Desta forma, a
calibração do modelo é realizada a partir de dados históricos, assumindo a hipótese de que os
parâmetros resultantes seriam suficientes para garantir a qualidade dos resultados em eventos
futuros.
Verifica-se a acurácia da calibração, comparando valores de cota d’água registrados nos
postos telemétricos com os valores calculados em tempo real pelo modelo. Em seguida, os registros
de eventos mais recentes de chuva intensa são utilizados para validar a última calibração efetuada.
Com base nos resultados obtidos na validação, Caso sejam encontradas discrepâncias, deve
ser efetuado um novo ajuste nos parâmetros. A calibração a ser realizada utilizará o histórico
anterior acrescido de, no mínimo, um período chuvoso registrado mais recentemente. Após a
incorporação destes novos dados de precipitação intensa, o modelo é novamente calibrado, a fim de
representar adequadamente as alterações sofridas pela bacia hidrográfica.
Inicialmente, o modelo foi calibrado com base nos históricos de registros em cada um dos
postos telemétricos, até o ano de 2013, abrangendo dados suficientes para que os parâmetros
característicos da bacia fossem refinados.
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Dados simulados
Dados observados
Figura 3 – Detalhe da calibração da bacia do Morro do S
O processo de validação consistiu na análise de longa duração de todos os eventos ocorridos,
ao longo do período chuvoso de 2014-2015, sejam eles de pequena ou grande intensidade.
A validação em tempo real calcula a diferença entre as cotas obtidas na simulação e aquelas
registradas pelo posto telemétrico correspondente. Como o modelo foi desenvolvido para eventos
de inundação, os valores interessantes para validar os resultados do modelo são aqueles de maior
intensidade. Portanto, as diferenças foram registradas somente em picos dos eventos de maior
intensidade do dia.
A extensão das manchas de inundação geradas pelo modelo também foi considerada no
processo de validação garantindo que as áreas atingidas fossem devidamente representadas. Para
dar suporte a esta etapa de validação, foi necessário o levantamento destas manchas em campo,
auxiliando na identificação da extensão das áreas alagadas.
O evento selecionado para este levantamento, ocorreu no dia 19 de março de 2015. Foram
realizadas duas visitas a campo para demarcar os pontos limites atingidos pela água utilizando o
equipamento GPS -RTK, que permitiu a representação gráfica destes pontos sobre a base de mapas
Google para posterior comparação à mancha obtida na simulação. (Figura 4)
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Figura 4 - Localização dos pontos limite de inundação levantados em campo em 19/03/2015 (base Google)
RESULTADOS
A calibração do modelo com os dados históricos até 2013 transcorreu de forma simples e
determinou parâmetros coerentes com o cenário esperado para a bacia.
Variação de Cota (m)
Para exemplificar o resultado da validação, os valores obtidos de cotas d’água para o Posto
306 são apresentados na Figura 5, com os registros das máximas diferenças obtidas para os picos
dos eventos mais críticos ao longo do mês de Janeiro de 2015.
1
0.5
0
0-Jan
-0.5
-1
5-Jan
10-Jan
15-Jan
20-Jan
Posto : 306 - Córrego Morro
do S - Campo Limpo
(PMSP/CL-02)
Data (dia-mês)
Figura 5 - Diferenças entre cotas d'água obtidas na simulação e registros para os picos dos eventos críticos na
etapa de validação do modelo
A Figura 6 apresenta a comparação entre a mancha de inundação calculada pelo modelo
PCSWMM e a área inundada delimitada em campo.
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Figura 6 - Traçado da mancha de inundação calculada pelo modelo para o evento de 19 de março de 2015
Em comparação à área delimitada em campo, constata-se que a região inundada prevista pelo
modelo apresenta limites próximos aos limites de campo, porém o modelo ignora a presença de
edificações na determinação da mancha e prevê que a inundação também ocorrerá na região interior
aos lotes.
DISCUSSÃO
O modelo, caracterizado pelos parâmetros determinados na fase de calibração, se mostrou
representativo para eventos que ocorreram fora do período utilizado na mesma, apresentando
discrepâncias consideradas aceitáveis em relação aos valores de cota d’água observados nos postos
telemétricos. Apesar da diferença resultar em valores que variam +/- 1 metro, a grande oscilação da
intensidade dos eventos registrados no período foi normalizada com os parâmetros definidos.
Como o funcionamento do modelo é em tempo real, este permite que os valores calculados sejam
comparados aos valores observados no próprio evento, no momento em que ocorre, e permitem
inferir o comportamento dos eventos críticos previstos.
O uso de ferramentas de auto calibração corrigiria em tempo real as oscilações dos resultados,
corrigindo o histórico a partir dos dados observados utilizando-o como ponto de partida para
simular o próximo evento previsto. No entanto, este estudo tratou de avaliar que a avaliação
humana das tendências apresentadas nas leituras telemétricas, auxilia na indicação das tendências
de inundações simuladas, sem comprometer os resultados de alertas.
Quanto às inundações do dia 19 de março de 2015, é possível considerar que a mancha gerada
pelo modelo seja fiel à registrada em campo, mesmo que tenha previsto inundação interior aos lotes.
Apesar disso, deve-se observar que bacias hidrográficas são sensíveis a mudanças nas
características geomorfológicas e que, principalmente em bacias urbanas, estas mudanças são
frequentes. Tucci (1998) destaca que uma bacia urbana que modifique as suas condições de
impermeabilização e canalização terá seus parâmetros alterados e que, quando os parâmetros
sofrem modificações com o tempo, o ajuste e a verificação devem contemplar estas condições.
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Assim sendo, os parâmetros obtidos na calibração inicial devem ser atualizados periodicamente de
forma a contabilizar as alterações ocorridas nas sub-bacias ao longo do tempo.
A calibração inicial, neste estudo, se mostrou válida para longos períodos chuvosos
subsequentes, demonstrando que é possível prever o comportamento da bacia, sem que haja
necessidade de aplicação de calibração autoregressiva do modelo. Sugere-se que os parâmetros
sejam atualizados em períodos de três em três meses, devido à ocorrência de alterações frequentes
em solos de bacias urbanas, como é o caso da bacia do Morro do S e respectivas sub-bacias.
Este procedimento garante que o espaço amostral da calibração seja ampliado
constantemente, respaldando a calibração.
CONCLUSÃO
O estudo permite concluir que um procedimento simplificado de calibração, em alternativa à
auto calibração em tempo real, pode ser efetivo para aumentar a qualidade dos resultados, uma vez
que a interface PCSWMM não permite a aplicação de procedimentos de auto calibração. Ainda
neste contexto, a calibração manual pode ser aperfeiçoada através de aplicação de correções
periódicas dos parâmetros, o que seria interessante para reduzir a margem de erro dos estudos.
É interessante ressaltar a importância do monitoramento e manutenção de banco de dados
utilizados para a atualização periódica dos parâmetros das sub-bacias nos procedimentos de
calibração e validação desenvolvidos acima.
Mesmo em estágio de validação, o estudo de caso apresentado demonstra o potencial da
ferramenta utilizada (PCSWMM) para a previsão das inundações no município. Considerando as
consequências das inundações, o modelo utilizado neste estudo é uma ferramenta útil na
delimitação de áreas inundadas ainda que não existam ferramentas de auto correção dos parâmetros.
O Procedimento adotado é, portanto, suficiente para garantir a acurácia dos resultados, e a
manutenção do modelo seguindo periódicas calibrações em consonância com o procedimento de
validação.
REFERÊNCIAS
OLIVEIRA, C.P.M. et al.(2014). Warning system based on real-time flood forecasts in São
Paulo, Brazil. In: 6th International Conference On Flood Management. São Paulo.
REFSGAARD, J.C. (1997) Parameterisation, calibration and validation of distributed
hydrological models. Journal of Hydrology, v. 198, n. 1-4, p. 69-97, 1997.
REFSGAARD, J.C.; HENRIKSEN, H.J. (2004). Modelling guidelines––terminology and
guiding principles. Advances in Water Resources, v. 27, n. 1, p. 71-82, 2004.
TUCCI, C. E.
M. (1998). Modelos hidrológicos.
Universidade/UFRGS/Associação Brasileira de Recursos Hídricos.
Porto
Alegre:
Ed.
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