Validação dos módulos hidrológicos
Esta página documenta os casos de validação para interceptação pelo dossel, neve, infiltração e evapotranspiração. Esses casos foram planejados para responder primeiro a uma pergunta restrita: cada módulo reproduz as equações pretendidas e a contabilidade do armazenamento sob condições controladas? Essa resposta é então separada de perguntas posteriores sobre parâmetros de campo, calibração e desempenho na bacia.
Configuração comum
A maioria dos casos hidrológicos usa a bacia sintética em V como contexto espacial comum. Esse domínio fornece uma estrutura consistente de DEM, solo, cobertura do solo, LAI e águas subterrâneas, mas a fonte da verdade continua vindo de uma solução analítica ou de uma implementação de referência independente.
Interceptação pelo dossel
O que foi testado
O caso VAL-CANOPY-001 isola a rotina de armazenamento no dossel antes que a infiltração, o escoamento e as águas subterrâneas sejam ativados. A encosta esquerda usa LAI = 0.5, a faixa do canal usa LAI = 0 e a encosta direita usa LAI = 2.0. Uma célula representativa de 20 m × 20 m é usada na conversão de volume.
Referência e método
A rotina interceptionModel.m do HydroPol2D foi executada diretamente e comparada com uma referência independente do tipo balde para o dossel. O caso abrange o enchimento do dossel, o throughfall depois que a capacidade de armazenamento é excedida, o rebaixamento por evaporação e o bypass com LAI = 0.
Resultado principal
O HydroPol2D reproduziu a referência independente até a precisão de arredondamento. As verificações de benchmark, de balanço de massa e de NaN passaram.
| Métrica | Valor | Limiar |
|---|---|---|
| RMSE do armazenamento no dossel (mm) | 1.50 × 10^-17 | 1.0 × 10^-9 |
| RMSE do throughfall (mm) | 1.31 × 10^-17 | 1.0 × 10^-9 |
| RMSE da evaporação (mm) | 7.31 × 10^-18 | 1.0 × 10^-9 |
| Resíduo máximo de massa (m³) | 2.22 × 10^-17 | 1.0 × 10^-6 |
Este caso valida as fórmulas implementadas do dossel e a contabilidade do armazenamento nas condições testadas. Ele não valida o comportamento da interceptação pelo dossel em campo, porque não usa dados observados de throughfall ou de stemflow.
Módulo de neve
O que foi testado
O caso VAL-SNOW-001 testa o caminho configurável atual de neve. A sequência inclui precipitação fria, mista e quente; duas classes LULC com parâmetros de neve distintos; estados iniciais nulos, apenas com SWE, apenas com profundidade e com o par SWE e profundidade; refinamento do passo de tempo; equivalência entre planilha e bypass; e uma simulação acoplada de neve e escoamento na bacia em V.
Referência e método
Os testes controlados usam cálculos prescritos de balanço de massa para a partição chuva-neve, o derretimento por graus-dia, a conversão entre densidade e profundidade e o armazenamento. O caso completo na bacia em V usa o pré-processamento normal do HydroPol2D e o roteamento inercial local. Ele aplica 16,123.82 m³ de precipitação e verifica o balanço de todo o evento, se os estados de neve são finitos e o resíduo do módulo de neve.
Resultado principal
As seis verificações passaram. O teste do passo de tempo deu uma diferença máxima de 1.36 × 10^-12 mm entre as integrações de 5, 15 e 60 minutos. O evento acoplado na bacia em V fechou em 5.82 × 10^-11 m³, ou 3.61 × 10^-13 % da precipitação do evento. O próprio módulo de neve fechou em 3.55 × 10^-16 m³.
| Verificação | Resultado | Critério de aceitação |
|---|---|---|
| Partição configurável e armazenamento | erro 0,0 | cálculo prescrito exato |
| Estados iniciais e mapeamento de duas classes | erro 0,0 | conversão exata e verificação do erro esperado |
| Refinamento de 5, 15 e 60 min | 1.36 × 10^-12 mm | < 1 × 10^-6 mm |
| Acoplamento neve-escoamento na bacia em V | 6.39 × 10^-15 m³ | < 1 × 10^-6 m³ |
| Equivalência entre planilha e bypass | erro 0,0 | equivalência exata dos mapas de parâmetros |
| Fechamento do evento completo na bacia em V | 3.61 × 10^-13 % | < 0.1 % |
O caminho testado lê os parâmetros de neve na linha correspondente da tabela de parâmetros LULC. Initial_SWE_path e Initial_Snow_Depth_path são opcionais. A teoria do modelo hidrológico define as regras de inicialização e o fallback de códigos de classe. Estes casos validam as equações, o mapeamento da configuração e a contabilidade acoplada. Eles não calibram um manto de neve com observações de campo.
Infiltração
O que foi testado
A suíte de infiltração usa a bacia em V com propriedades hidráulicas fisicamente interpretáveis das texturas franco-arenosa, franca e franco-argilosa, no estilo do USDA. Foram testados sete regimes:
- bypass sem infiltração;
- chuva limitada pelo suprimento;
- entrada limitada pela capacidade;
- excesso por saturação com armazenamento finito;
- percolação em camadas e recarga com atraso;
- excesso por saturação com lençol freático raso;
- contraste espacial de solos.
Referência e método
A fonte da verdade é uma rotina de referência independente em MATLAB que avalia a contabilidade pretendida da infiltração e do armazenamento em camadas fora do solver hidrodinâmico completo. Os testes seguem a ordem implementada, de cima para baixo: camada próxima à superfície, camada da zona radicular, camada de transmissão e recarga das águas subterrâneas quando o armazenamento vadoso está cheio e a recarga está ativa.
Resultado principal
Os sete casos independentes de infiltração passaram depois que as propriedades do solo foram redefinidas para valores fisicamente consistentes, baseados na textura.
| Caso | Regime | Chuva (mm) | Infiltração (mm) | Escoamento (mm) | Recarga (mm) | Fechamento (mm) |
|---|---|---|---|---|---|---|
VAL-INFIL-VT-000 | Sem infiltração | 60,0 | 0,0 | 60,0 | 0,0 | 0,0 |
VAL-INFIL-VT-001 | Limitado pelo suprimento | 10,0 | 10,0 | 0,0 | 0,0 | 0,0 |
VAL-INFIL-VT-002 | Limitado pela capacidade | 120,0 | 34,157 | 85,843 | 0,0 | 1.71 × 10^-13 |
VAL-INFIL-VT-003 | Limitado pelo armazenamento | 180,0 | 72,5 | 107,5 | 0,0 | 0,0 |
VAL-INFIL-VT-004 | Percolação em camadas | 384,0 | 384,0 | 0,0 | 197,614 | 1.23 × 10^-11 |
VAL-INFIL-VT-005 | Lençol freático raso | 150,0 | 75,0 | 75,0 | 22,683 | -2.84 × 10^-14 |
VAL-INFIL-VT-006 | Contraste espacial de solos | 120,0 | 77,880 | 42,120 | 0,0 | 7.11 × 10^-15 |
A principal interpretação está no nível dos processos, e não é apenas numérica. O caso limitado pelo suprimento infiltrou toda a chuva. O caso limitado pela capacidade gerou excesso assim que a chuva superou a capacidade hidráulica de entrada. O caso limitado pelo armazenamento encheu o reservatório vadoso e então produziu escoamento por excesso de saturação. O caso de percolação em camadas atrasou a recarga em vez de enviar a água diretamente às águas subterrâneas.
Diagnósticos de infiltração em forma de hidrograma. As linhas pretas são a chuva, as linhas azuis são o escoamento ou o excesso superficial e as linhas verdes são a recarga.
Taxas de infiltração aceitas nos mesmos casos. As figuras são apresentadas em mm/h para mostrar como cada regime responde ao longo do tempo.
Isso valida a contabilidade implementada da infiltração e a dinâmica do solo em camadas nos regimes de validação testados. Não valida parâmetros de infiltração em campo, o fluxo em macroporos, o fluxo preferencial nem um hidrograma calibrado da bacia.
Evapotranspiração
O que foi testado
A suíte de evapotranspiração usa a grade da bacia em V para testar tanto o cálculo da ET potencial quanto a extração da ET real. Foram testados sete regimes:
- reprodução da fórmula da ET potencial;
- limitação pelo armazenamento de água livre;
- extração do solo limitada pela demanda;
- extração do solo limitada pelo armazenamento;
- acesso parcial das raízes à camada próxima à superfície;
- modo interno de ETP;
- mascaramento de células secas, impermeáveis e inválidas.
Referência e método
O primeiro caso compara o cálculo da ET de referência do HydroPol2D com uma implementação independente de Penman-Monteith no estilo da FAO. Os casos de extração comparam a ET real do solo, a evaporação de água livre, o armazenamento final, o comportamento das máscaras e os resíduos de massa com uma referência algébrica independente.
Resultado principal
Os sete casos passaram. O caso da ET de referência produziu valores médios de ET potencial idênticos no HydroPol2D e na referência independente, 5.7669 mm/day. Nos casos de extração, o HydroPol2D reproduziu a ET do solo, a evaporação de água livre e o armazenamento final até a precisão de máquina.
| Caso | Regime | ETP média (mm/day) | ET do solo (soma em mm) | E superficial (soma em mm) | Resíduo (m³) |
|---|---|---|---|---|---|
VAL-ET-VT-000 | Fórmula da ET potencial | 5,7669 | -- | -- | 0,0 |
VAL-ET-VT-001 | Limite de água livre | -- | 0,0 | 27,0 | -4.44 × 10^-14 |
VAL-ET-VT-002 | Limitado pela demanda do solo | -- | 36,0 | 0,0 | 9.24 × 10^-14 |
VAL-ET-VT-003 | Limitado pelo armazenamento do solo | -- | 27,0 | 0,0 | -4.44 × 10^-14 |
VAL-ET-VT-004 | Acesso parcial das raízes | -- | 45,0 | 0,0 | 0,0 |
VAL-ET-VT-005 | Modo interno de ETP | -- | 18,0 | 12,0 | 3.55 × 10^-15 |
VAL-ET-VT-006 | Máscaras e células secas | -- | 12,0 | 0,0 | 4.44 × 10^-15 |
ET potencial, ET real do solo, evaporação de água livre, armazenamento antes e depois da ET e erros absolutos de validação nos casos de ET da bacia em V.
Estes testes validam o caminho implementado da fórmula de ET e a contabilidade da extração da ET real em regimes controlados. Eles não validam a ET em escala de campo, os coeficientes de cultura nem a calibração sazonal do balanço hídrico.