Modelagem hidrológica

O ESD em uma bacia hidrográfica, conforme Ryu et al. (2016), pode ser estimado por meio do monitoramento da vazão ou pela utilização de modelos chuva- vazão. O monitoramento da vazão é mais preciso do que a utilização de modelos computacionais, no entanto, devido à falta de recursos financeiros e de mão de obra adequada, a medição dessa variável torna-se difícil. Além disto, para a gestão sustentável das bacias hidrográficas, a previsão de futuras mudanças do clima e do manejo do solo deve ser considerada.

No Brasil, a rede de monitoramento e gerenciamento de informações hidrológicas é constituída de poucos postos hidrológicos e, geralmente, com séries de curta duração, que abrange apenas médias e grandes bacias (COSTA et al., 2012). Os modelos hidrológicos surgiram devido à necessidade de obtenção de séries hidrológicas mais longas e representativas de vazões, uma vez que, as séries de chuva são geralmente mais longas que as séries de vazão. Dessa maneira, utilizando os dados de chuva, é possível estimar as vazões desconhecidas para as bacias hidrográficas em análise (SARAIVA; FERNANDES; NAGHETTINI, 2011). Por estas razões, os modelos chuva-vazão em escala de bacias hidrográficas têm sido amplamente utilizados para a gestão de planos de hidrologia e meio ambiente.

O processo de utilização de um modelo, é denominado como simulação. Sendo assim, considerando a bacia hidrográfica como um sistema, pode-se entender a simulação chuva-vazão como a aplicação de um modelo hidrológico matemático para sua representação, simulando o escoamento pela quantificação da vazão, dado um evento climático (CALDEIRA, 2016).

Conforme Rennó e Soares (2007), os modelos hidrológicos matemáticos podem ser classificados sob diferentes aspectos: a) tipo de variável: estocásticos ou determinísticos; b) relação entres as variáveis: empíricos ou conceituais c) forma de representação dos dados: discretos ou contínuos; d) existência de dependência temporal: estacionários ou dinâmicos e e) existência ou não de relações espaciais: concentrados ou distribuídos.

Um modelo hidrológico é dito estocástico quando aborda em sua formulação conceitos de probabilidade, ou seja, quando a chance de ocorrência de uma variável é considerada, caso contrário, é dito determinístico (VIOLA, 2011). Tucci (2005), relata que os modelos são ditos conceituais quando as funções empregadas para representar o comportamento do sistema levam em consideração os processos físicos e empíricos quando não consideram estes processos.

Com relação à forma de representação dos dados, os modelos hidrológicos podem ser classificados como discretos ou contínuos. Os discretos objetivam a modelagem de períodos isolados de uma série histórica, buscando representar eventos de cheia ou recessão, enquanto que os contínuos objetivam a modelagem de longos períodos, geralmente contemplando diferentes comportamentos hidrológicos (MARINHO FILHO et al., 2012).

Já em relação a existência de dependência temporal, os modelos hidrológicos podem ainda ser estacionários, descrevendo o fenômeno, em determinado momento, sem variação temporal dos parâmetros, ou dinâmicos para os quais os parâmetros variam em função do tempo (MARINHO FILHO et al., 2012).

Conforme Rennó (2003), os fenômenos naturais que envolvem o ciclo hidrológico variam continuamente no tempo e no espaço, no entanto, sua representação através de modelos matemáticos requer um grau de discretização. A discretização espacial está relacionada à área na qual as variáveis são consideradas homogêneas podendo classificar o modelo como concentrado ou distribuído.

Nos modelos hidrológicos com abordagem concentrada, cada variável assume um valor que representa homogeneamente a bacia em análise, o que limita a representação da variabilidade espacial das características da bacia (HARTMANN; BALES; SOROOSHIAN, 1999). O mesmo não ocorre em modelos com abordagem distribuída, haja visto, que a bacia hidrográfica é subdividida em sub-bacias (modelo semi-distribuído) ou em módulos (modelo distribuído), o que proporciona descrição

mais acurada da variabilidade espacial e das variáveis de entrada (COLLISCHONN, 2001). A Figura 4 ilustra a estrutura da discretização do modelo.

  Figura 4 – Estrutura de discretização.

Fonte: Tucci (2005).

Onde P(t) é a precipitação no instante t, E(t) é a evaporação no instante t, e Q(t) é a vazão no instante t, sendo estas as variáveis temporais de entrada, comumente empregadas em modelos hidrológicos chuva-vazão. Já as constantes B, M, θi e j representam a sub-bacia, o módulo da bacia, a declividade da bacia e a unidade de análise (sub-bacia ou módulos), respectivamente.

De acordo com Maidment (1993), essas variáveis de entrada, por serem obtidas por monitoramento, geralmente são observadas em intervalos de tempo pré- definidos, não sendo conhecidas suas variações entre observações, o que implica na aceitação de uma variação média no intervalo. Sendo assim, tanto no modelo concentrado, semi-distribuído ou distribuído, a bacia é representada por um evento de precipitação média.

No modelo semi-distribuído, a divisão da bacia em sub-bacias se sucede de acordo com os canais de drenagem do sistema. Esta subdivisão é feita em função dos dados disponíveis, locais de interesse e variabilidade dos parâmetros físicos da bacia. No modelo distribuído por módulos, a discretização é feita através de formas geométricas como quadrados, retângulos, triângulos, sem relação direta com a forma da bacia, mas caracterizando internamente os componentes dos processos (TUCCI, 2005).

Como as bacias hidrográficas possuem grande variabilidade espacial, devido ao relevo, a pedologia, cobertura vegetal, sua geologia, a variabilidade do comportamento da bacia em relação aos usos possíveis do solo são diversas. Nesse sentido, os modelos semi-distribuídos e distribuídos tentam relatar a bacia hidrográfica através de uma discretização mais detalhada, introduzindo as melhores formulações obtidas em cada processo hidrológico, estabelecendo relações entre os parâmetros e as características físicas das bacias (CHEN; CHEN; XU, 2007; TUCCI, 2005).

Para o planejamento e a gestão de recursos hídricos são utilizados modelos hidrológicos para compreender o comportamento de escoamento em uma bacia hidrográfica. Salienta-se que, para bacias hidrográficas com dados limitados, a escolha de modelo e dos seus parâmetros de identificação é considerada uma etapa importante para a estimativa de hidrogramas de escoamento direto (AHMAD; GHUMMAN; AHMAD, 2010), visto que o objetivo é sempre alcançar melhores simulações de vazão (HAO et al., 2015).