Bacia Hidrográfica de San Francisquito - Exemplo de Chuva Controlada

Propósito

Este exemplo apresenta uma simulação controlada de chuva e escoamento para a bacia do San Francisquito Creek, perto de Stanford, Califórnia. Ele mostra como o HydroPol2D responde, em uma bacia real, a uma chuva cujo instante e volume são conhecidos com exatidão.

Configuração do caso

O caso Stanford_30m_Website_100mmh_1h_24h usa:

Item	Valor
Domínio	Bacia do San Francisquito Creek, Califórnia, EUA
Grade	30 m, NAD83 / California Albers (EPSG:3310)
Tipo de forçamento	Chuva espacialmente uniforme
Evento de chuva	100 mm/h de 15 a 75 min (100 mm)
Duração da simulação	24 h
Intervalo de saída dos mapas	15 min
Família de roteamento	Inercial local
Tratamento de saída	Saída pelo perímetro
Processos	Infiltração ligada; água subterrânea, evapotranspiração, neve e qualidade da água desligadas

Dados de entrada

Duas entradas são mapas (Figura 1):

• Terreno. O DEM de terreno nu do USGS 3D Elevation Program (3DEP), lido do serviço 3DEPElevation em 10 m e agregado pela média para a grade de 30 m (baixado em 2026-11-02, domínio público dos EUA).
• Uso e cobertura da terra. ESA WorldCover 2020 (v100), CC BY 4.0. © ESA WorldCover project 2020 / Contains modified Copernicus Sentinel data (2020) processed by ESA WorldCover consortium. Os códigos de classe 10 a 90 da tabela de uso da terra são os do WorldCover.

As demais entradas são valores uniformes definidos para o exemplo, sem dados externos: uma classe de solo (a classe 8 da tabela de solos), profundidade até a rocha de 1,5 m, LAI de 1, albedo de 0,25 e umidade inicial do solo de 0,1104. Os demais parâmetros vêm da planilha do caso Stanford distribuída com o modelo em MATLAB.

Figura 1. As duas entradas espaciais na grade de 30 m. Acima: terreno do USGS 3DEP. Abaixo: cobertura do solo do ESA WorldCover 2020, com a fração de cada classe no domínio. O círculo marca o Lago Searsville, onde fica a maior profundidade da simulação.

O que este caso pretende mostrar

Este caso destaca:

• geração de escoamento superficial sob um forçamento simples e conhecido;
• a interação entre topografia, rugosidade e infiltração;
• a organização espacial da profundidade, velocidade, perigo e infiltração cumulativa da inundação;
• comportamento de recessão longa após o término do pulso de chuva.

Vídeo de simulação

A animação abaixo mostra a simulação em 30 m. Os painéis mostram profundidade de inundação, velocidade, métrica de perigo e infiltração cumulativa sobre o sombreamento do DEM. O quadro de capa é t = 3,5 h, o instante da vazão máxima que sai pela borda do domínio.

Simulação controlada de chuva em Stanford, 30 m: profundidade de inundação, velocidade, perigo e infiltração cumulativa.

Cada painel usa uma única escala de cores para toda a sequência. A escala é baseada no percentil 99 de todos os quadros salvos.

Resultados resumidos

A simulação salvou 97 quadros de mapa, um a cada 15 min. O resumo da simulação dá:

Resultado	Valor
Área de drenagem	156,823 km²
Chuva aplicada	100,00 mm
Coeficiente de escoamento	0,47
Vazão máxima que sai pela borda do domínio	473,69 m³/s em 3,5 h
Primeiro pico dessa vazão	402,84 m³/s em 75 min, quando a chuva termina
Profundidade máxima de inundação	5,87 m, na bacia do Lago Searsville (37,410° N, 122,234° W)
Área que passou de 1 m de profundidade em algum instante	4,3 km² (2,7% do domínio)
Erro de volume	-6,45 × 10⁻¹² da entrada

Toda célula na borda do domínio deixa a água sair (saída pelo perímetro), então o hidrograma é a vazão que sai pela borda do domínio, e não só a vazão na foz do córrego. As vazões são suas amostras de 15 min. O primeiro pico, 402,84 m³/s em 75 min, é o escoamento das encostas saindo ao longo de toda a borda. Depois a vazão cai para 110 m³/s em 2 h. Em seguida, a onda de cheia chega a um trecho em que o San Francisquito Creek corre na borda norte do domínio. A água que transborda ali sai do modelo, e a vazão volta a subir até 473,69 m³/s em 3,5 h.

Como executar

O caso está no repositório do HydroPol2D em MATLAB, em Examples/Stanford. No MATLAB, a partir da raiz do repositório:

addpath(fullfile(pwd,'Examples','Stanford'))
run_stanford_local_case('Resolution',30,'SimulationMinutes',1440, ...
  'RainfallTimeseriesPath',fullfile('Examples','Stanford','Forcing','Rainfall','Rainfall_Intensity_Website_100mmh_1h_24h.csv'), ...
  'RecordTimeMapsMinutes',15,'RecordTimeHydrographsMinutes',15, ...
  'OutputTag','Stanford_30m_Website_100mmh_1h_24h')

Os resultados vão para Examples/Stanford/Outputs/Reruns_CurrentModel/Stanford_30m_Website_100mmh_1h_24h/Modeling_Results: mapas de profundidade, velocidade e perigo a cada 15 min, o hidrograma da vazão que sai pela borda do domínio (Tables_CSV/Outlet_Hydrograph_Data_Outlet.csv) e o resumo da simulação (Tables_CSV/Summary_Table.csv).

Uma simulação mais curta da mesma chuva, de 3 h em vez de 24 h, começa com run('Examples/Stanford/run_excel.m') e leva cerca de 14 min em um laptop. O README do repositório lista os resultados esperados.