Detalhes de funcionamento do aplicativo SmapDia/SGB

O SmapDia/SGB foi produzido de modo a possibilitar uma interface fluida e intuitiva para a utilizacao do modelo hidrológico SMAP. Contudo, e importante explicitar alguns elementos acerta de sua estrutura e funcionamento.

Alem deste painel introdutório, o aplicativo e composto por outras quatro partes:

Dados

No segundo painel, o/a usuario/a podera carregar seus próprios dados hidrológicos e visualizar aspectos gerais dessas informacões.

O unico dado da bacia necessario para o modelo SMAP e o dado de area de drenagem (em km²). O nome da bacia e interessante caso o/a usuario/a deseje que ele apareca nos graficos produzidos.

Alem desse dado basico, os dados hidrológicos devem ser introduzidos utilizando-se um arquivo .csv. O arquivo devera apresentar cabecalho e conter ao menos quatro colunas com os nomes Data, E (associados aos dados de Evapotranspiracao, em mm/dia), P (precipitacao, em mm/dia) e Q (vazao, em m³/s).

Para correta leitura dos dados, e preferivel que as colunas do arquivo de entrada sejam separadas por ponto-e-virgula e as casas decimais sejam virgula. Caso isso nao ocorra, o/a usuario/a tera algumas opcões de ajuste de formato de separacao de colunas e casas decimais no painel lateral.

Para correta leitura dos dados, tambem e importante que na coluna de datas, nao exista qualquer valor faltante. Ou seja, que a diferenca entre as datas seja sempre de um dia. As datas devem estar no formato dd/mm/aaaa.

Eventuais dados faltantes de vazao sao admissiveis na amostra de validacao e devem ser deixados em branco. Para o periodo de calibracao, nao pode haver nenhum dado faltante.

O painel lateral permite que o/a usuario/a escolha diferentes partes da tabela para pre-visualizacao. O/A usuario/a pode optar por visualizar o inicio da tabela (primeiras 13 linhas) ou seu final (ultimas 13 linhas).

O carregamento do arquivo por parte do/a usuario/a e feito navegando em seus arquivos e pressionando o botao “Browse”.

SMAP

No terceiro painel, o/a usuario/a podera exercitar a calibracao do SMAP diario, avaliando a sensibilidade do modelo a cada um dos parametros modificando os parametros e visualizando o resultado dessas modificacões em tempo real.

A proposta e a de que seja possivel observar o efeito de cada um dos parametros sobre a resposta do hidrograma, visualizando o efeito dessas alteracões em tempo real no hidrograma estimado.

A primeira informacao necessaria nesta etapa e o inicio e fim do periodo de validacao dos dados. Alem dessas, as duas condicões iniciais e os seis parametros do modelo SMAP poderao ser ajustado, utilizando-se as barras no painel lateral. Mais detalhes desses valores sao fornecidos na descricao do modelo na próxima aba.

A visualizacao do grafico de vazões observadas e estimadas sera ajustada automaticamente, bem como a estimativa do coeficiente de Nash-Sutcliffe e a relacao entre escoamento de base e superficial estimada pelo SMAP.

Otimizacao

No quarto painel, o/a usuario/a podera otimizar os parametros calibrados por meio do algoritmo genetico Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO) (Nascimento et al., 2009). 4 Funcões objetivo diferentes sao admitidas: o coeficiente de Nash-Sutcliffe, a curva de permanência de vazões, e a curva de permanência considerando apenas as vazões altas ou baixas. Neste painel, as condicões da bacia nao sao calibradas, sao apenas inseridos pelo/a usuario/a.

Para os seis parametros do modelo, o/a usuario/a devera escolher uma faixa que acredite conter os melhores parametros do modelo. Sugere-se, que essa faixa contenha os valores estimados no painel anterior. O/A usuario/a deve inserir um limite inferior e superior para os parametros. O/A usuario/a tambem podera alterar os parametros do algoritmo MOPSO e ao final clicar em "Rodar".

Validacao

Na ultima aba, o/a usuario/a podera visualizar o resultado do modelo calibrado com dados de validacao. Os dados otimizados podem ser inseridos e o/a usuario/a podera ter ideia do desempenho do modelo com dados fora da amostra de calibracao. Tambem e estimado o coeficiente de Nash para a amostra de validacao.

O modelo hidrológico SMAP com passo diario

O SMAP (Soil Moisture Accounting Procedure) e um modelo deterministico de simulacao hidrológica do tipo transformacao chuva-vazao. e classificado como um modelo concentrado conceitual, construido com possibilidades de rodar em passos diario, mensal e horario. Neste aplicativo, apenas a versao diaria e apresentada. Neste aplicativo, dados gerais quanto à formulacao e aplicacao do modelo sao apresentados. Para maiores detalhes, consultar as publicacões que deram origem ao modelo (Lopes et al., 1991), bem como o manual do SMAP que pode ser obtivo em Lopes (1999).

Em sua versao diaria, o modelo SMAP e constituido de três reservatórios e o estado desses reservatórios e atualizado a cada passo do modelo. Esses reservatórios sao:

• Rsolo, ou reservatório superficial do solo (zona aerada);
• Rsup, ou reservatório da superficie da bacia;
• Rsub, ou reservatório subterraneo (zona saturada).

Os fluxos entre os reservatórios sao:

• P (chuva)
• Es (escoamento superficial)
• Ed (escoamento direto)
• Er (evapotranspiracao real)
• Rec (recarga subterranea)
• Eb (escoamento de base)

Os parametros do modelo sao:

• str ou capacidade de saturacao do solo (mm)
• k2t ou constante de recessao do escoamento superficial (dias)
• crec ou parametro de recarga subterranea (%)
• ai ou abstracao inicial (mm)
• capc ou capacidade de campo (%)
• kkt ou constante de recessao do escoamento basico (dias)

Alem desses parametros, duas condicões iniciais da baxia sao necessarias: seu teor de umidade inicial (tuin, em %) e o escoamento de base inicial (ebin, em m³/s)

Um fluxograma dos fluxos de agua entre os reservatórios do modelo SMAP e apresentado a seguir.

Multiobjective Particle Swarm Optimization

O algoritmo MOPSO e um algoritmo de otimizacao que incorpora uma necessidade de atender a multiplos objetivos em um algoritmo de ptimizacao do tipo PSO ou Particle Swarm Optimization

Segundo Nascimento et al. (2009), o metodo PSO consiste em um metodo de simulacao baseado no comportamento social de bandos, no qual particulas, ou melhor, individuos como passaros, insetos ou peixes fazem uso de suas experiências e da experiência do próprio bando para encontrarem o ninho, alimento, ou outro objetivo. Assim, dispostas de forma aleatória, as particulas seguem em busca de um local que satisfaca um dado objetivo

Quando aplicado para otimizacao de parametros de modelos hidrológicos SMAP, os "bandos" correspondem ao conjunto de parametros do modelo hidrológico e o objetivo desse bando e minimizar a funcao objetivo. No caso deste aplicativo, a funcao objetivo a ser minimizada, e o coeficiente de Nash-Sutcliffe.

O algoritmo MOPSO requer a introducao dos seguintes parametros:

• Particulas: numero de particulas do algoritmo genetico.
• Geracões: quantidade maxima de geracões do algoritmo - coresponde ao numero maximo de interacões do algoritmo.
• c1 e c2: grau de confianca ao melhor parametro de todas as particulas ou de cada particula individualmente, respectivamente.
• w: inercia da particula.
• n: numero de parametros que serao otimizados

Caso o/a usuario/a deseje obter maiores detalhes acerca do metodo, sugere-se consultar o artigo Nascimento et al. (2009), intitulado Avaliacao do Algoritmo Evolutivo Mopso na Calibracao Multiobjetivo do Modelo SMAP no Estado do Ceara, publicado pela Revista Brasileira de Recursos Hidricos.