Calibration of a Distributed Hydrological Model for the São Francisco River Basin based on precipitation estimated by satellite

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Authors

DOI:

https://doi.org/10.59824/rmrh.v6.322

Keywords:

MGB-IPH, Gestão de recursos hídricos, Sensoriamento remoto, Simulação hidrológica

Abstract

The São Francisco River basin is one of the main Brazilian hydrographic basins, with a territorial extension that runs through six states from the Southeast to the Northeast of the country. Its main watercourse, the São Francisco River, is essential for both industrial activities and agricultural irrigation, in addition to playing a significant role in the national hydroelectric sector. Thus, effective management of water resources is crucial to face droughts and floods and ensure energy production. Aware of this importance, this study aims to contribute to improving water management by adjusting the Large Basin Model (MGB-IPH), aiming at estimating and forecasting flows throughout the basin area. To perform the calibration, daily precipitation data estimated by satellite, generated by the MERGE product of CPTEC/INPE, were used. The basin was divided into 66 sub-basins for calibration, aiming at a good representation of flows in all regions of the basin. The results showed that the model proved to be very good and good at adjusting most sub-basins, with lower performance in semiarid regions. Overall, the MGB-IPH model is a valuable tool for water resources management, with the potential to contribute to more effective planning of water availability and anticipation of extreme weather events.

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Author Biographies

Iago de Carvalho Mello, Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI)

Mestrando em Engenharia Hídrica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Graduado em Engenharia Hídrica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI).

Camila Coelho Welerson, Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)

Doutoranda em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Mestre em Meio Ambiente e Recursos Hídricos pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Graduada em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP).

Filipe Otávio Passos, Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI)

Graduated in Water Engineering and Master in Environment and Water Resources from the
Federal University of Itajubá. PhD student in Electrical Engineering at the Federal
University of Itajubá.

Flávia santos Ferraz, Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI)

Mestranda em Engenharia Hídrica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Graduada em Engenharia Hídrica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI).

Fabiane de Cássia dos Santos, Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI)

Master's student in Environment and Water Resources - Federal University of Itajubá

Benedito Cláudio da Silva, Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI)

Doutor em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS). Mestre em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Graduado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Professor Adjunto da Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI).

References

ALI, M. H. et al. Remote sensed and/or global datasets for distributed hydrological modelling: A review. Remote Sensing, Switzerland, v. 15, n. 6, p. 1-43, 2023. Disponível em: https://www.mdpi.com/2072-4292/15/6/1642. Acesso em: 05 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.3390/rs15061642

ALMEIDA, L; SERRA, J. C. V. Modelos hidrológicos, tipos e aplicações mais utilizadas. Revista da FAE, Curitiba, v. 20, n. 1, p. 129-137, 2017. Disponível em: https://revistafae.fae.edu/revistafae/article/view/113/435. Acesso em: 06 jun. 2024.

AQUILA, G. et al. An overview of short-term load forecasting for electricity systems operational planning: machine learning methods and the brazilian Experience. Energies, Switzerland, v. 16, n. 21, p. 1-35, 2023. Disponível em: https://www.mdpi.com/1996-1073/16/21/7444. Acesso em: 18 maio 2024. DOI: https://doi.org/10.3390/en16217444

ÁVILA, L. et al. Comparative evaluation of five hydrological models in a large-scale and tropical river basin. Water, Switzerland, v. 14, n. 19, 21p., 2022. Disponível em: https://www.mdpi.com/2073-4441/14/19/3013. Acesso em: 13 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.3390/w14193013

BELAY, H. et al. Merging satellite products and rain-gauge observations to improve hydrological simulation: a review. Earth, Switzerland, v. 3, n. 4, p. 1275-1289, 2022. Disponível em: https://www.mdpi.com/2673-4834/3/4/72. Acesso em: 19 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.3390/earth3040072

BRÊDA, J. P. L. F. et al. Assessing climate change impact on flood discharge in South America and the influence of its main drivers. Journal of Hydrology, Glendale, v. 619, p. 129284, 2023. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169423002263. Acesso em: 25 maio 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.129284

BRITO NETO, R. L. et al. Aplicação do modelo MGB-IPH na bacia hidrográfica do Rio Pardo em diferentes cenários de uso e ocupação do solo. Ciência Florestal, Santa Maria, v. 31, n. 1, p. 191-213, jan./mar. 2021. Disponível em: https://www.scielo.br/j/cflo/a/fx9f687j593p4TMXhzmGmct/abstract/?lang=pt. Acesso em: 14 abr. 2024. DOI: https://doi.org/10.5902/1980509836095

CAMPAROTTO, L. B. et al. Validação de dados termopluviométricos obtidos via sensoriamento remoto para o Estado de São Paulo. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Campina Grande, v. 17, n. 6, p. 665-671, 2013. Disponível em: https://www.scielo.br/j/rbeaa/a/rbwkkmmYV7x8bbzkzxBL4Vt/. Acesso em: 26 maio 2024. DOI: https://doi.org/10.1590/S1415-43662013000600013

COLLISCHONN, B. et al. Desempenho do Satélite TRMM na estimativa de precipitação sobre a Bacia do Paraguai Superior. Revista Brasileira de Cartografia, Uberlândia, v. 59, n. 1, 2007. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/26468083_Desempenho_do_Satelite_TRMM_na_Estimativa_de_Precipitacao_Sobre_a_Bacia_do_Paraguai_Superior. Acesso em: 30 abr. 2024. DOI: https://doi.org/10.14393/rbcv59n1-43965

COLLISCHONN, W. et al. Apostila 2: manual de referência teórica do MGB. Porto Alegre: UFRGS, 2020. 45 p. Disponível em: https://www.ufrgs.br/hge/mgb/downloads/mgb-4-6-2/. Acesso em: 25 abr. 2024.

FALCK, A. S. et al. Avaliação de um modelo estocástico de erro multidimensional aplicado à estimativas de precipitação por satélite. Revista Brasileira de Meteorologia, São Paulo, v. 31, n. 1, p. 52-63, 2016. Disponível em: https://www.scielo.br/j/rbmet/a/TST43WSLYc3nFHMxXZNPT3f/abstract/?lang=pt. Acesso em: 30 abr. 2024. DOI: https://doi.org/10.1590/0102-778620140042

FAN, F. M. et al. Ensemble streamflow forecasting experiments in a tropical basin: The São Francisco river case study. Journal of Hydrology, Glendale, v. 519, p. 2906-2919, 2014. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169414003126. Acesso em: 25 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2014.04.038

FAN, F. M. et al. Verification of inflow into hydropower reservoirs using ensemble forecasts of the TIGGE database for large scale basins in Brazil. Journal of Hydrology: Regional Studies, Amsterdam, v. 4, p. 196-227, 2015. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214581815000567. Acesso em: 12 maio 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2015.05.012

FAN, F. M. et al. Um mapa de unidades de resposta hidrológica para a América do Sul. SIMPÓSIO BRASILEIRO DE RECURSOS HÍDRICOS 21., 2015, Brasília. Anais [...] Porto Alegre: ABRhidro, 2015. Disponível em: https://files.abrhidro.org.br/Eventos/Trabalhos/4/PAP019919.pdf. Acesso em: 12 maio 2024.

FERRARINI, A. S. F. et al. Water demand prospects for irrigation in the São Francisco River: Brazilian public policy. Water Policy, London, v. 22, n. 3, p. 449-467, 2020. Disponível em: https://iwaponline.com/wp/article/22/3/449/73871/Water-demand-prospects-for-irrigation-in-the-Sao. Acesso em: 15 de abr. 2024. DOI: https://doi.org/10.2166/wp.2020.215

FERREIRA, G. R. Eventos extremos de precipitação nas bacias hidrográficas dos rios doce e Paraíba do Sul. 2019. 47 f. Dissertação (Mestrado em Meteorologia Aplicada) – Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2019. Disponível em: chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://www.posmet.ufv.br/wp-content/uploads/2020/03/DISSERTACAO-GABRIELA-REGINA-FERREIRA.pdf. Acesso em: 18 maio 2024.

FREITAS, A. A. et al. Drought assessment in São Francisco river basin, Brazil: characterization through SPI and associated anomalous climate patterns. Atmosphere, London, v. 13, n. 1, p. 41-61, 2021. Disponível em: https://www.mdpi.com/2073-4433/13/1/41. Acesso em: 15 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.3390/atmos13010041

GADÊLHA, A. N. Análise da missão GPM (Global Precipitation Measurement) na estimativa da precipitação sobre o território brasileiro. 2018. 83p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil e Ambiental) – Universidade Federal da Paraíba, João Pessoa, 2018. Disponível em: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/13132?locale=pt_BR. Acesso em: 25 de abr. 2024.

HINGE, G. et al. Hydrologic utility of satellite precipitation products in flood prediction: a meta-data analysis and lessons learnt. Journal of Hydrology, Amstedam, v. 612, p. 1-14, 2022. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169422006783. Acesso em: 25 maio 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.128103

JIMÉNEZ, K. Q.; COLLISCHONN, W. Método de combinação de dados de precipitação estimados por satélite e medidos em pluviômetros para a modelagem hidrológica. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, Porto Alegre, v. 20, n. 1, p. 202 - 217, mar. 2015. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/305306500_Metodo_de_combinacao_de_dados_de_precipitacao_estimados_por_satelite_e_medidos_em_pluviometros_para_a_modelagem_hidrologica. Acesso em: 13 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.21168/rbrh.v20n1.p202-217

KIDD, C.; HUFFMAN, G. Global precipitation measurement. Meteorological Applications, New Jersey, v. 18, p. 334-353, 2011. Disponível em: https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/met.284. Acesso em: 17 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.1002/met.284

LAKEW, H. B. et al. Hydrological performance evaluation of multiple satellite precipitation products in the upper Blue Nile basin, Ethiopia. Journal of Hydrology: Regional Studies, Amsterdam, v. 27, p. 1-12, 2020. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214581818302520. Acesso em: 12 maio de 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2020.100664

MA, L. et al. MIKE SHE modeling of ecohydrological processes: merits, applications, and challenges. Ecological Engineering, Amsterdam, v. 9, p. 137-149, 2016. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925857416300088. Acesso em: 15 maio 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2016.01.008

MAHMOUD, M. T. et al. Performance of the IMERG precipitation products over high-latitudes region of Finland. Remote Sensing, Switzerland, v. 13, n. 11, p. 1-26, 2021. Disponível em: https://www.mdpi.com/2072-4292/13/11/2073. Acesso em: 30 abr. 2024. DOI: https://doi.org/10.3390/rs13112073

MAILLARD, P. et al. Challenges of defining the floodplain through the “mean ordinary flood line” approach using remote sensing in Brazil: a case study of the São Francisco River. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, Porto Alegre, v. 27, p. 1-20, 2022. Disponível em: https://www.scielo.br/j/rbrh/a/H6stKYxzh7SNcQcn4P4nMHv/abstract/?lang=en. Acesso em: 24 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.1590/2318-0331.272220210110

MARINHO FILHO, G. M. et al. Modelos hidrológicos: conceitos e aplicabilidades. Revista de Ciências Ambientais, Rio de Janeiro, v. 6, p. 35-47, 2012. Disponível em: https://revistas.unilasalle.edu.br/index.php/Rbca/article/view/268. Acesso em: 02 jun. 2024.

MOREIRA, I. A. Modelagem hidrológica chuva-vazão com dados de radar e pluviômetros. 2005. 81f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambientais) – Universidade Federal do Paraná, Curitiba, 2005. Disponível em: https://acervodigital.ufpr.br/handle/1884/2576. Acesso em: 23 maio 2024.

MORIASI, D. N. et al. Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. American Society of Agricultural and Biological Engineer, Michigan, v. 50, n. 3, p. 885-900, 2007. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/43261199_Model_Evaluation_Guidelines_for_Systematic_Quantification_of_Accuracy_in_Watershed_Simulations. Acesso em: 29 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.13031/2013.23153

OCHOA‐RODRIGUEZ, S. et al. A review of radar-rain gauge data merging methods and their potential for urban hydrological applications. Water Resources Research, New Jersey, v. 55, n. 8, p. 6356-6391, 2019. Disponível em: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018WR023332. Acesso em: 19 maio 2024. DOI: https://doi.org/10.1029/2018WR023332

OLIVEIRA, D. H. M. C. et al. Rainfall and streamflow extreme events in the São Francisco hydrographic region. International Journal of Climatology, New Jersey, v. 41, n. 2, p. 1279-1291, 2021. Disponível em: https://rmets.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/joc.6807. Acesso em: 26 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.1002/joc.6807

OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA ELÉTRICO (Brasil). Recursos hídricos e meteorologia: visão geral. Rio de Janeiro: ONS, 2009. Disponível em: http://www.ons.org.br. Acesso em: 12 jul. 2024.

OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA ELÉTRICO (Brasil). Aplicação do modelo SMAP/ONS para previsão de vazões no âmbito do SIN. ONS 0097/2018-RV3. Rio de Janeiro: ONS, 2018. Relatório Técnico. Disponível em: chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://antigo.mme.gov.br/c/document_library/get_file?uuid=4737f06f-525a-223d-ee9f-04c17b11058e&groupId=36070. Acesso em: 17 jun. 2024.

PAIVA, M. H. R. et al. Validation of the MGB-IPH hydrological model for flows simulation in paired watershed in Minas Gerais, Brazil. Ecological Modelling, Amsterdam, v. 491, 2024. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304380024000875. Acesso em: 28 maio 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ecolmodel.2024.110699

PETRUCCI, E. Análise espacial da precipitação pluvial e eventos extremos secos na bacia hidrográfica do Rio São Francisco – Brasil, Série histórica de 1985 a 2018. 2022. 271p. Tese (Doutorado em Geografia) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36343. Acesso em: 25 maio 2024.

PONTES, P. R. M. et al. Modelagem hidrológica e hidráulica de grande escala com propagação inercial de vazões. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, São Paulo, v. 20, n. 4, p. 888-904, 2015. Disponível em: chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://abrh.s3.sa-east-1.amazonaws.com/Sumarios/156/d1794a9de01a2cda0ade3e472de558fb_544aa821f14776ee2092f3dd967d8aeb.pdf. Acesso em: 30 jun. 2024.

RASHEED, N. J. et al. Survey on the resolution and accuracy of input data validity for SWAT-based hydrological models. Heliyon, Cambridge, v. 10, n. 19, p. 1-15, 2024. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/384269011_Survey_on_the_Resolution_and_Accuracy_of_Input_Data_Validity_for_SWAT-Based_Hydrological_Models. Acesso em: 22 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e38348

ROZANTE, J. R. et al. Performance of precipitation products obtained from combinations of satellite and surface observations. International Journal of Remote Sensing, Abingdon, v. 41, n. 19, p. 7585-7604, 2020. Disponível em: chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://ftp.cptec.inpe.br/modelos/tempo/MERGE/GPM/Rozante_et.al.2020.pdf. Acesso em: 27 maio 2024. DOI: https://doi.org/10.1080/01431161.2020.1763504

SILVA, A. C. M.; PEREIRA, F. F. Assessment of Drought Occurrence and Severity in the São Francisco River Basin between the years 1961 to 2019. Revista de Geociencias do Nordeste, Caicó, RN, v. 9, n. 2, p. 56-68, 2023. Disponível em: https://periodicos.ufrn.br/revistadoregne/article/view/32622. Acesso em: 19 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.21680/2447-3359.2023v9n2ID32622

SILVA, B. C. Previsão hidroclimática de vazão para a Bacia do Rio São Francisco. Tese (Doutorado em Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2005. Disponível em: https://lume.ufrgs.br/handle/10183/253714. Acesso em: 21 jun. 2024.

SILVA, B. C.; TUCCI, C. M.; COLLISCHONN, W. Previsão de vazão de longo prazo na Bacia do Rio São Francisco II: ajuste do modelo hidrológico. Revista brasileira de recursos hídricos, São Paulo, v. 10, n. 4, p. 43-59, 2005. Disponível em: https://www.researchgate.net/publication/237743426_Previsao_de_Vazao_de_Longo_Prazo_na_Bacia_do_Rio_Sao_Francisco_II_Ajuste_do_Modelo_Hidrologico. Acesso em: 11 abr. 2024. DOI: https://doi.org/10.21168/rbrh.v10n4.p43-59

SILVA, M. V. M. et al. Impacto dos cenários de mudanças climáticas e demandas consuntivas no desempenho dos reservatórios do rio São Francisco, Brasil. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE RECURSOS HÍDRICOS, 24., Belo Horizonte, 2021. Anais [...]. Belo Horizonte: ABRhidro, 2021. Disponível em: https://anais.abrhidro.org.br/job.php?Job=13446. Acesso em: 24 abr. 2024.

SILVA, P. N. Avaliação da precipitação estimada pelo satélite GPM para a bacia hidrográfica do rio Sapucaí. 2022. 77 f. Dissertação (Mestrado em Meio Ambiente e Recursos Hídricos) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2022. Disponível em: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3204. Acesso em: 22 maio 2024.

SOKOL, Z. et al. The role of weather radar in rainfall estimation and its application in meteorological and hydrological modelling -A review. Remote Sensing, Abingdon, v. 13, n. 3, p. 351, 2021. Disponível em: https://www.mdpi.com/2072-4292/13/3/351. Acesso em: 15 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.3390/rs13030351

SOUZA NETO, P. F. et al. Evaluation of cumulus parameterization of the regional climate model in the São Francisco River Basin. Revista Brasileira de Meteorologia, São |Paulo, v. 38, 15p., 2023. Disponível em: https://www.scielo.br/j/rbmet/a/xrLtfyyxn5zBPpgqk74GVXK/abstract/?lang=en. Acesso em: 23 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.1590/0102-77863810073

THANABALAN, P. et al. Time-series analysis of MODIS (LST and NDVI) and TRMM rainfall for drought assessment over India. Applied Geomatics, Berlin, v. 15, n. 2, p. 383-405, 2023. Disponível em: https://link.springer.com/article/10.1007/s12518-023-00505-y. Acesso em: 31 maio 2024. DOI: https://doi.org/10.1007/s12518-023-00505-y

TOLEDO, B. H. C.; ANDRADE A. R. Validação estatística de dados do Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) para a bacia hidrográfica do Rio Jordão – Paraná – Brasil. Entre-Lugar, v. 13, n. 24, p. 367-387. Disponível em: https://ojs.ufgd.edu.br/entre-lugar/article/view/15115. Acesso em: 26 maio 2024. DOI: https://doi.org/10.30612/rel.v12i24.15115

TUCCI, C. E. M.; COLLISCHONN, W. Simulação hidrológica de grandes bacias. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, São Paulo, v. 6, n. 1, p. 95-118, 2001. Disponível em: https://www.abrhidro.org.br/SGCv3/publicacao.php?PUB=1&ID=42&SUMARIO=625. Acesso em: 25 maio 2024. DOI: https://doi.org/10.21168/rbrh.v6n1.p95-118

WANG, J. et al. Hydrological model adaptability to rainfall inputs of varied quality. Water Resources Research, New Jersey, v. 59, n. 2, p. 1-20, 2023. Disponível em: https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2022WR032484. Acesso em: 21 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.1029/2022WR032484

XIA, Q. et al. A review on the development of two-way coupled atmospheric-hydrological Models. Sustainability, Switzerland, v. 15, n. 3, p. 1-16, 2023. Disponível em: https://www.mdpi.com/2071-1050/15/3/2803. Acesso em: 11 jun. 2024. DOI: https://doi.org/10.3390/su15032803

YUAN, X. et al. An experimental seasonal hydrological forecasting system over the yellow river basin – part 1: understanding the role of initial hydrological conditions. Hydrology and Earth System Sciences, Madri, v. 20, n. 6, p. 2437-2451, 2016. Disponível em: https://hess.copernicus.org/articles/20/2437/2016/. Acesso em: 18 maio 2024. DOI: https://doi.org/10.5194/hess-20-2437-2016

Published

2025-02-17

How to Cite

MELLO, I. de C.; WELERSON, C. C.; PASSOS, F. O.; FERRAZ, F. santos; DOS SANTOS, F. de C.; SILVA, B. C. da. Calibration of a Distributed Hydrological Model for the São Francisco River Basin based on precipitation estimated by satellite . Revista Mineira de Recursos Hídricos, Belo Horizonte, v. 6, p. e025002, 2025. DOI: 10.59824/rmrh.v6.322. Disponível em: https://periodicos.meioambiente.mg.gov.br/NM/article/view/322. Acesso em: 2 apr. 2025.