Estimativa e análise da incerteza associada à variação do coeficiente de manning na previsão de afluência ao reservatório de Itaipu
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Data
2025-04-01
Autores
Lins, Laura Jacques
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Resumo
Na utilização de modelos matemáticos para o cálculo de afluência é necessário que parâmetros sejam ajustados com as características da área, de modo que incertezas sejam propagadas na estimativa. Sendo assim, torna-se fundamental a análise de parâmetros que não podem ser mensurados, como o coeficiente de Manning. Assim, o objetivo deste estudo é analisar o efeito da oscilação do coeficiente de Manning nas propagações de ondas de cheias, através de um exemplo simplificado, desenvolver uma representação da incerteza na previsão de afluência ao reservatório de Itaipu e avaliar seu desempenho. Para demonstrar esse objetivo, foi realizada uma prova de conceito replicando os fenômenos que foram trabalhados por meio de dois sistemas já implementados: o modelo HEC-RAS, através da rede do rio Paraná calibrada a montante de Itaipu, e o sistema FEWS-Itaipu. Com isso, foi calibrada uma faixa representativa da incerteza e, posteriormente, validados os resultados para diferentes períodos. A faixa calibrada, também, foi implementada na previsão de afluências através de equações lineares, onde foi possível propor uma nova envoltória de previsão, que, em seguida, foi avaliada com métricas de desempenho. A partir disso, a faixa calibrada mostrou maior variabilidade em períodos de cheia, abrangendo melhor o escoamento nestes eventos. A avaliação com as métricas de Brier Score e Brier Skill Score demonstrou que a faixa proposta performou ligeiramente superior ao modelo original. A implementação da faixa utilizando equações lineares apresentou baixa correlação entre o modelo original e as simulações desenvolvidas, devido à complexidade em reescrever o comportamento de modelos hidrodinâmicos de forma linear. As envoltórias propostas mostraram ser mais amplas para os primeiros dias do horizonte de previsão, com relação a envoltória original, e as métricas de Brier Score, Brier Skill Score e Rank Histogram mostraram que os dados observados foram representados com maior frequência nos primeiros dias do horizonte de previsão. Dessa forma, os resultados ressaltam a importância do estudo e análise da incerteza na previsão de afluências, proporcionando uma representação da incerteza na propagação de ondas. Sendo assim, este estudo contribui ao explorar os impactos da variabilidade do coeficiente de Manning e propõe uma metodologia simplificada para incorporar a incerteza na previsão de afluências ao reservatório de Itaipu.
Resumen
Al utilizar modelos matemáticos para calcular los caudales de entrada, los parámetros deben ajustarse a las características de la zona, de modo que se propaguen incertidumbres en la estimación. Por lo tanto, se hace imprescindible analizar parámetros que no se pueden medir, como el coeficiente de Manning. Así, el objetivo de este estudio es analizar el efecto de la oscilación del coeficiente de Manning en la propagación de ondas de crecida, a través de un ejemplo simplificado, para desarrollar una representación de la incertidumbre en la predicción del afluente al embalse de Itaipú y evaluar su desempeño. Para demostrar este objetivo, se realizó una prueba de concepto replicando los fenómenos que se trabajaron a través de dos sistemas ya implementados: el modelo HEC-RAS, a través de la red del río Paraná calibrada aguas arriba de Itaipú, y el sistema FEWS-Itaipú. Con ello se calibró un rango representativo de incertidumbre y, posteriormente, se validaron los resultados para diferentes periodos. El rango calibrado también fue implementado en el pronóstico de caudales mediante ecuaciones lineales, donde fue posible proponer una nueva envolvente de pronóstico, que luego fue evaluada con métricas de desempeño. A partir de esto, el rango calibrado mostró mayor variabilidad en los períodos de inundaciones, cubriendo mejor el caudal en estos eventos. La evaluación con las métricas Brier Score y Brier Skill Score demostró que el rango propuesto funcionó ligeramente mejor que el modelo original. La implementación del rango mediante ecuaciones lineales presentó baja correlación entre el modelo original y las simulaciones desarrolladas, debido a la complejidad en reescribir el comportamiento de los modelos hidrodinámicos de forma lineal. Se demostró que las envolventes propuestas eran más amplias durante los primeros días del horizonte de pronóstico, en comparación con la envolvente original, y las métricas Brier Score, Brier Skill Score y Rank Histogram mostraron que los datos observados estaban representados con mayor frecuencia en los primeros días del horizonte de pronóstico. Así, los resultados resaltan la importancia de estudiar y analizar la incertidumbre en la predicción de las entradas, proporcionando una representación de la incertidumbre en la propagación de las olas. Por ello, este estudio contribuye a explorar los impactos de la variabilidad del coeficiente de Manning y propone una metodología simplificada para incorporar la incertidumbre en la previsión de afluencias al embalse de Itaipú.
Abstract
When using mathematical models to calculate inflow, parameters must be adjusted to the characteristics of the area, so that uncertainties are propagated in the estimate. Therefore, it is essential to analyze parameters that cannot be measured, such as the Manning coefficient. Thus, the objective of this study is to analyze the effect of the oscillation of the Manning coefficient on the propagation of flood waves, through a simplified example, to develop a representation of the uncertainty in the prediction of inflow to the Itaipu reservoir and to evaluate its performance. To demonstrate this objective, a proof of concept was carried out by replicating the phenomena that were worked on using two systems already implemented: the HEC-RAS model, through the Paraná River network calibrated upstream of Itaipu, and the FEWS-Itaipu system. With this, a representative range of uncertainty was calibrated and, subsequently, the results were validated for different periods. The calibrated range was also implemented in the prediction of inflows through linear equations, where it was possible to propose a new prediction envelope, which was then evaluated with performance metrics. From this, the calibrated range showed greater variability in flood periods, better covering the flow in these events. The evaluation with the Brier Score and Brier Skill Score metrics demonstrated that the proposed range performed slightly better than the original model. The implementation of the range using linear equations showed low correlation between the original model and the simulations developed, due to the complexity of rewriting the behavior of hydrodynamic models in a linear way. The proposed envelopes proved to be wider for the first days of the forecast horizon, in relation to the original envelope, and the Brier Score, Brier Skill Score and Rank Histogram metrics showed that the observed data were represented more frequently in the first days of the forecast horizon. Thus, the results highlight the importance of studying and analyzing uncertainty in inflow forecasting, providing a representation of the uncertainty in wave propagation. Therefore, this study contributes by exploring the impacts of the variability of the Manning coefficient and proposes a simplified methodology to incorporate uncertainty in the forecasting of inflows to the Itaipu reservoir.
Descrição
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Infraestrutura e Território da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Civil de Infraestrutura.
Palavras-chave
Usina Hidrelétrica de Itaipu, ondas, afluências, coeficiente de Manning