A palavra modelo possui inumeras nuances em seu significado. De modo geral, pode ser compreendido como sendo qualquer representação simplificada da realidade ou de um aspecto do mundo real que seja de interesse ao pesquisador, que possibilite reconstruir a realidade, prever um comportamento, uma transformação ou uma evolução (CHRISTOFOLETTI, 1999).
A definição que ainda permanece como sendo uma das mais adequadas estabelece que:
“modelo é uma estruturação simplificada da realidade que supostamente apresenta, de forma generalizada, características ou relações importantes. Os modelos são aproximações altamente subjetivas, por não incluírem todas as observações ou medidas associadas, mas são valiosos por obscurecerem detalhes acidentais e por permitirem o aparecimento dos aspectos fundamentais da realidade”, (HAGGETT e CHORLEY, 1967; 1975) apud CHRISTOFOLETTI (1999, p 8).
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Um modelo pode ser uma teoria, uma lei, uma suposição, uma equação, ou até mesmo uma ideia estruturada (CHORLEY & HAGGETT, 1975).
De acordo com a literatura, existem algumas vantagens na utilização dos modelos (DeCoursey, 1991; De Roo, 1993)
A hipótese expressa em termos matemáticos pode fornecer uma descrição quantitativa e compreensão dos processos químicos, biológicos e hidrológicos; Modelos matemáticos podem proporcionar um quadro conceitual completo que pode ajudar a identificar áreas onde existe uma falta de conhecimento, e poderia estimular novas ideias e abordagens experimentais;
Modelos matemáticos podem ser uma boa forma de dar uma receita para que o conhecimento da pesquisa esteja disponível em uma forma fácil de utilização para o usuário;
Os benefícios econômicos dos métodos sugeridos pela pesquisa podem ser pesquisados e ressaltados freqüentemente por um modelo estimulando assim a adoção de melhores métodos de previsão;
A modelagem pode levar a menor experimentação ad hoc, como os modelos tornam muitas vezes mais fáceis os desenhos de experimentos para responder a perguntas específicas, ou para discriminar entre alternativas;
Em um sistema com vários componentes, um modelo fornece uma maneira de reunir conhecimentos sobre as partes, proporcionando assim uma imagem coerente do comportamento do sistema como um todo;
A modelagem pode ajudar a fornecer apoio estratégico e tático para um programa de pesquisa motivando os cientistas e promovendo a colaboração; Um modelo pode fornecer um poderoso meio para resumir os dados, e também um método de interpolação e extrapolação conservador;
Os dados são cada vez mais precisos, e ao mesmo tempo mais caros . Um modelo pode, às vezes, fazer o uso dos dados de forma mais eficiente (por exemplo, a altitude pode ser usada para calcular o gradiente do declive, exposição das vertentes, curvatura, padrão drenagem, e bacias hidrográficas);
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O poder preditivo de um modelo bem sucedido pode ser utilizado de várias maneiras: atuando na atribuição de prioridades em pesquisa e desenvolvimento, gestão e planejamento, dentre outros;
Os modelos validados pelos dados coletados experimentalmente podem fornecer um mecanismo para transferencia de dados de uma área de estudo para outras áreas com menor disponibilidade de dados.
A modelagem constitui um procedimento teórico envolvendo um conjunto de técnicas com a finalidade de compor um quadro simplificado e inteligível do mundo, como atividade de reação do homem perante a complexidade aparente do mundo que o envolve.
A modelagem no campo dos sistemas de informação geográfica envolve representação simbólica das propriedades locacionais (onde), assim como dos atributos temáticos (o que) e temporais (quando) descrevendo as características e condições do espaço e tempo (BERRY, 1995) em CHRISTOFOLETTI (1999).
Os conceitos relacionados com os sistemas e modelos encontram-se subjacentes em todos os procedimentos da modelagem de sistemas ambientais, e expressam perspectivas ligadas com as maneiras de se conceber a estruturação e funcionamento dos fenômenos da natureza, tendo como base as visões de mundo (CHRISTOFOLETTI, 1999).
A modelagem do processo de erosão é uma importante ferramenta no desenvolvimento de avaliações confiáveis de predições de perdas de solo e, ainda, para o planejamento de medidas de controle do referido fenômeno.
Os principais componentes destes modelos de erosão são baseados no princípio da equação universal de Perda do Solo (USLE) (WISCHMEIER e SMITH, 1978), a qual relaciona a quantidade total de perda de solo com seis fatores: erosividade da chuva, textura do solo, comprimento e inclinação da vertente, cobertura vegetal e práticas de conservação do solo.
Desde meados dos anos 70 muitos modelos de sistemas de erosão tem sido desenvolvidos principalmente para predizer os efeitos das diferentes ténicas de produção e rotação das culturas na superfície deslave e a perda de solo em terras
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aráveis.
Atualmente, existem muitos modelos que permitem a quantificação dos processos de erosão. O modelo CREAMS (KNISEL, 1980), ANSWERS (BEASLEY et al, 1980), SWRRB (WILLIAMS et al., 1985; ARNOLD et al., 1990), AGNPS (YOUNG et al., 1986), EPIC (WILLIAMS, 1984) e SWAT (ARNOLD et al., 1998) são provavelmente os mais importantes.
Em nossa análise podemos agrupar os modelos naqueles que trabalham no nível da parcela como GUEST (ROSE et. al., 1997), CREAMS (KNISEL, 1980), GLEAMS (LEONARD et al., 1987), EPIC (WILLIAMS, 1985).
Existem modelos que usam valores diários de predição e outros que trabalham em escala anual como o USLE (WISCHMEIER e SMITH, 1978).
Há também os modelos descontínuos que trabalham exclusivamente no nível de eventos meteorológicos pontuais como LISEM (DE ROO et al., 1994), EUROSEM (MORGAN et al., 1998), ANSWERS (BEASLEY et al,1980) e AGNPS (YOUNG et al,1986), assim como, modelos contínuos como o WEPP (FOSTER et. al., 1985); e o SWAT (ARNOLD et. al., 1998) com base em processos físicos hidrológicos.
Dependendo da forma matemática que leva a descrição dos processos físicos simulados, os modelos de erosão podem ser classificados em três categorias (MERRITT et al, 2003, ALATORRE, 2009.): i) empíricos ii) conceituais e iii) de base física (ver Tabela 2.6).
Os modelos empíricos são geralmente os mais simples baseados na análise estatística de um conjunto de observações. Eles são baseados na acumulação de informações quantitativas de instalações experimentais e monitoramento de campo. Geralmente, os modelos empíricos são preditivos e principalmente do tipo métrico estático, ou seja, não fornecem uma visão dinâmica do processo, mas destinam-se as previsões de valores médios em longo prazo.
Os primeiros estudos empíricos tentando relacionar a perda de solo a diferentes fatores, tais como chuva ou formas de gestão forma desenvolvidos nos Estados Unidos nos anos 30 do século XX. A grande maioria dos modelos de erosão de tipo empírica utilizados hoje é derivada da USLE (WISCHMEIER & SMITH, 1978). A USLE avalia a perda de solo médio em um ano produzido por erosão hídrica por fluxo laminar e em
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sulcos em áreas onde não há formação de voçorocas, sendo projetado para parcelas agrícolas com uma área de até um hectare.
Apesar de sua popularidade, os modelos empíricos têm sido amplamente criticados, embora sejam frequentemente mais utilizados que os modelos mais complexos, uma vez que eles podem ser implementados em situações em que a principal limitação é a falta de dados para alimentar o modelo. Alem disso, permitem uma primeira abordagem para identificar as causas e fontes da erosão.
Modelos conceituais destinam-se a descrever os principais processos físicos que governam a erosão, pois eles são baseados em uma conceituação dos mecanismos subjacentes de desprendimento e transporte de partículas, e em uma representação do sistema de erosão como uma série de armazenamento temporário de materiais interconectados.
As relações de transferência de massa entre os diferentes armazenamentos são determinadas por equações matemáticas genéricas e são controlados por parâmetros que devem ser determinados pela calibração a partir de dados observados, tais como escoamento e concentração de sedimentos.
A maior dificuldade associada com o uso de modelos conceituais é a determinação dos valores dos parâmetros, uma vez que estes geralmente não correspondem aos parâmetros físicos mensuráveis e devem ser ajustados por um processo de calibração. É necessário estabelecer um equilíbrio entre a complexidade do modelo (número de parâmetros) e a melhoria que ocorre no grau de ajuste das previsões.
No entanto, os modelos conceituais desempenham um papel importante entre a concepção empírica e física. Embora os modelos conceituais tendam a apresentar os resultados de maneira agregada e fornecer um baixo nível de detalhes sobre os processos internos do sistema são capazes de descrever os processos fundamentais que regem a erosão. Esta é a principal característica que distingue os modelos conceituais dos empíricos, porque os últimos baseiam-se principalmente na previsão tendo em conta as relações observadas entre as diferentes variáveis e não fornecem uma descrição dinâmica dos processos.
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relações entre os diferentes parâmetros e processos de erosão e transporte de sedimentos observados e sua descrição através de equações que governam a transferência de massa, momento e energia.
Geralmente, os processos incorporados aos modelos de erosão de base física incluem o desprendimento das partículas pelo impacto das gotas de chuva e a tensão de cisalhamento exercida pelo escoamento superficial, o transporte por impacto das gotas de chuva e o transporte e sedimentação pelo escoamento laminar e concentrado em ravinas.
Os modelos de base física são desenvolvidos a partir da década de 70 do século XX, coincidindo com o aumento da capacidade da computação numérica. Uma vez baseados em equações universalmente válidas e seus parâmetros têm um significado físico, os modelos de base física podem, em teoria, ser aplicados a partir de medições diretas dos valores dos parâmetros sem ter que recorrer à calibração a partir de registros empíricos.
Em geral, os modelos de base física são baseados em uma representação espacial distribuída, seja na forma de grade regular (grid) ou irregular (triangular irregular network, o TIN), que permite a implementação de equações de conservação de massa e momento por diferenças finitas ou elementos finitos, respectivamente. Por isso, estes, exigem a introdução de um grande número de parâmetros, espacialmente bem distribuídos.
Em princípio, os modelos de base física não apresentam problemas na sua extrapolação para áreas geográficas com características diferentes, apesar de que deve assegurar-se que a descrição dos processos físicos que se faz no modelo se ajuste às condições da nova área de estudo. Por ter como base equações de validade universal e parâmetros com significado físico, os modelos de base física permitem a predição de erosão em diferentes cenários de clima e uso da terra e o estudo dos efeitos de mudanças nos fatores externos, tais como a mudança climática.
A distinção entre os diferentes tipos de modelos pode não ser muito clara, porque o mesmo modelo pode exibir uma combinação de algumas das categorias acima.
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Tabela 2.6 Modelos de erosão e transporte de sedimentos.
Modelo Tipo Escala
espacial
Escala
temporal Resultados
Referencia (ano)
USLE Empírico Parcela/Encos
ta Anual Erosão
Wischmeier e Smith, 1965, 1978 MUSLE Empírico Bacias Evento Produção de
sedimentos
Williams, J.R, 1975 ANSWERS Físico Peq. bacias Evento/
contínuo Escoamento, pico máximo, erosão, sedimentos produção de sedimentos. Beasley et. al., 1980
HSPF Conceitual Bacia Contínuo
Escoamento, taxa de escoamento, carga de sedimentos Johansen et. al., 1980, 1984 AGNPS Conceitual Peq. bacias Evento/
contínuo
Escoamento, pico máximo, erosão,
produção de sedimentos.
Young et. al., 1986
SLEMSA Empírico Parcela/Encos
ta Anual Erosão Elwell e Stocking, 1982; Stocking et al., 1988 SWRRB Físico Peq. bacias Contínuo
Carga pontual de sedimentos, qualidade de água. Williams et al 1985, Arnold et al, 1990 CREAMS Físico Parcela Evento/
contínuo
Erosão, deposição
Knisel, 1980; Knisel, 1995
GLEAMS Físico Parcela Evento/ Contínuo Escoamento, erosão, produção de sedimentos, transporte de nutrientes e pesticidas. Leonard et al, 1987; Knisel, 1993 KINEROS/ KINEROS2 Físico Encosta/
Bacia Peq. Evento
Escoamento, pico máximo, erosão, produção de sedimentos. Woolhiser et. al., 1990; Smith et. al.,
1995 EPIC Físico Parcela Evento/
contínuo Erosão Willians et al, 1984; Sharpley e Williams, 1990 MMF Empírico/ Conceitual Encosta/
Bacia Peq. Anual
Escoamento, erosão Morgan et. al., 1984; Morgan, 2001 PESERA Físico Encosta/
regional Contínuo
Escoamento, erosão,
Kirkby et. al., 1987, 2000
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sedimentos. IHACRES-
WQ
Empírico/C
onceitual Bacia Contínuo
Escoamento, carga de sedimentos. Jakeman et. al., 1990; Jakeman e Hornberger, 1993 THORNES Conceitual/ empírico Encosta/
Bacia Peq. Anual
Escoamento, erosão
Thornes, 1985, 1990 TOPOG Físico Peq. bacias Contínuo
Risco de erosão, escoamento, pico máximos solutos, produção de sedimentos. CSIRO Land and Water, TOPOG Homepage
WEPP Físico Encosta/ Bacia Peq. Contínuo Escoamento, produção de sedimentos, perda do solo.
Foster et. al., 1985; Lane et al, 1987; Laflen et. al.,
1989; Flanagan et
al,1999 RUSLE Empírico Parcela/Encos
ta Anual Erosão
Renard et. al., 1991, 1994, 1997. PERFECT Físico Parcela Contínuo Escoamento,
erosão
Littleboy et. al., 1989,
1992 MEDALUS Físico Encosta Contínuo Erosão Kirkby et al.,
1994 SWEAP Empírico Parcela/Encos
ta Anual Erosão
Van den Berg e Temple,
1995
SWAT Físico Bacia Contínuo
Escoamento, pico máximo, erosão,
produção de sedimentos.
Arnold et. al., 1998
IQQM Conceitual Bacia Contínuo
Escoamento, sedimentos, oxigênio dissolvido demanda biológica de oxigênio. DLWC, 1995 EROSIÓN
3D 2D-Físico Bacia Evento
Escoamento, erosão, sedimentos. Schmidt et. al., 1991, 2001
LISEM Físico Peq. bacias Evento Escoamento, sedimentos de Roo et. al., 1994; de Roo e Offermans, 1995; de Roo et. al.,1996 RUSLE-3D Empírico/C
onceitual Bacia Anual Erosão
Mitasova et. al., 1996;
42 Mitas e Mitasova, 1998 USPED Empírico/C onceitual Bacia Evento/ anual Erosão, deposição Mitasova et. al., 1996; Mitas e Mitasova, 1998
SHETRAN Físico Bacia Evento
Escoamento, pico máximo, sedimentos, produção de sedimentos. Abbott et al., 1986; Bathurst, 1986; Ewen et al., 1990, 2000 LASCAM Conceitual Bacia Contínuo Escoamento,
sedimentos
Sivapalan, et al. 1996 GUEST Físico Parcela Contínuo
Escoamento, concentração de
sedimentos
Rose et. al., 1997 MIKE-11 Físico Bacia Contínuo
Produção de sedimentos, escoamento.
DHI, 1998 EUROSEM Físico Peq. bacias Evento
Escoamento, erosão, sedimentos.
Morgan et. al., 1998
SWIM Físico Bacia/
regional Contínuo Escoamento, nutrientes e ciclo do carbono, descarga, erosão. Krysanova et al, 1998 SPL Empírico/C
onceitual Bacia Anual
Erosão fluvial, incisão em rios. Stock e Montgomery, 1999; Whipple e Tucker, 1999 SEAGIS Empírico/C
onceitual Bacia Anual
Erosão, produção
de sedimentos. DHI, 1999 WATEM Conceitual Bacia Anual Erosão Van Oost et.
al., 2000 SEDNET Conceitual/ empírico Bacia Anual/ contínuo Sedimentos em suspensão, contribuição do fluxo superficial, processos de regos e ravinas. Prosser, et al 2001; Wilkinson et. al., 2005
EMSS Conceitual Bacia Contínuo
Escoamento, carga de sedimentos. Vertessey et. al., 2001; Chiew e Scanlon, 2001 STREAM Conceitual Bacia Evento Escoamento e
erosão
Cerdan et. al., 2001 CASC2D-
SED Físico Peq. bacias
Evento/ contínuo Escoamento, pico máximo, erosão e sedimentação separando as Julien e Saghafian, 1991; Rojas e Julien,
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partículas por tamanhos.
2002
AGWA Conceitual/f
ísico Bacia Contínuo
Escoamento, pico máximo, erosão,
produção de sedimentos.
Burns et. al., 2004, 2007
Fontes dos dados: Adaptado de ALASTORRE e BEGUERIA (2009), MERRITT et. al., (2003).
Modelos empíricos, baseados na USLE, como a MUSLE e a RUSLE, respectivamente USLE Modificada e Revisada, que necessitam de dados monitorados
in situ, vêm sendo aplicados a bacias hidrográficas. Estes modelos têm sido usados na
Europa e Austrália para descrever o fenômeno do transporte de sedimentos em microbacias hidrográficas, demonstrando razoável poder de predição (GELER, 2000).
Além das variadas aplicações, a USLE e a RUSLE não prevê o transporte ou a deposição de sedimentos, sendo que os resultados prevêem apenas a susceptibilidade à perda de solo nas áreas onde são aplicados. No intuito de simular outros processos, torna-se necessário o uso de modelos que compreendam, de maneira direta, um maior número de processos.
A MUSLE é uma modificação da Equação Universal de Perda de Solos (USLE) que, ao contrário da última, desenvolvida para a estimativa da erosão média em vertentes (Wischmeier & Smith, 1978), é usada na estimativa do aporte de sedimento no exutório de uma determinada bacia em um dado evento (Williams, 1975). A MUSLE é um modelo empírico, que requer a estimativa adequada de suas variáveis, bem como a calibração de seus parâmetros para as condições locais.
Além disso, embora a USLE na sua concepção fosse desenhada para aplicar-se em pequenas encostas, a sua utilização em modelos de bacias (como o EPIC) prova seu valor para aplicação a escala de bacia hidrográfica. Portanto, a USLE é utilizada nos cálculos de erosão, tanto de forma isolada como integrados em outros modelos mais complexos como AGNPS ou SWAT.
Outro modelo para a previsão de perdas de solo é o chamado SLEMSA (Soil Loss Estimation Model for South África), desenvolvido em Zimbabwe por Elwell e Stocking em 1982. Este método é bem mais simplificado e possibilita sua aplicação mesmo na ausência de dados locais, embora os resultados sejam menos precisos. Esta
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equação tem três termos, os quais levam em conta a capacidade da chuva de provocar erosão, susceptibilidade do solo de ser erodido, um fator topográfico e outro que considera a cobertura do solo.
Em sistemas complexos como as bacias hidrográficas, combinando processos naturais como precipitação, evapotranspiração, deflúvio superficial e subterrâneo com fatores relativos às atividades humanas tais como desmatamento, produção agrícola e construção de represas, é impossível uma representação completa de cada processo associado ao ciclo hidrológico, à erosão e à produção e destino dos sedimentos.
Atualmente, se desenvolvem uniões de modelos, principalmente hidrológicos, e modelos de erosão em nível de parcela (ou sub-bacias homogêneas) e ao nível de bacia. Os modelos em nível de bacia geralmente contêm o modelo ao nível de parcela (ou sub-bacias) como sub-módulo.
Modelos/programas descritos na literatura que se relacionam com o problema da erosão em conexão com a modelagem hidrológica são:
- ANSWERS soil erosion model (BEASLEY et. al., 1980)
- AGNPS - Agricultural Nonpoint Source Pollution Model (YOUNG et al, 1986) - CREAMS (Chemical Runoff and Erosion from Agricultural Management Systems)
KNISEL (1980, 1995)
- GLEAMS - Groundwater Loading Effects of Agricultural Management Systems (LEONARD et al, 1987; KNISEL, 1993)
- EPIC - Environmental Policy Integrated Climate - antes conhecido como Erosion Productivity Impact Calculator (WILLIANS et al, 1984; SHARPLEY e WILLIAMS, 1990)
- SWRRB - Simulator for Water Resources in Rural Basins (WILLIAMS et al 1985, ARNOLD et al, 1990)
- KINEROS (KINematic Runoff and EROsion Model), WOOLHISER et. al., 1990; SMITH et. al., 1995.
- WEPP - Water Erosion Prediction Project (FOSTER et. al., 1985; LANE et al, 1987; LAFLEN et. al., 1989; FLANAGAN et al,1999)
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- LISEM - Limburg Soil Erosion Model (DE ROO et. al., 1994; DE ROO e OFFERMANS, 1995; DE ROO et. al.,1996)
- SHETRAN (ABBOTT et al., 1986; EWEN et al., 2000)
- GUEST - Griffith University Erosion System Template (ROSE et al, 1997) - SWAT - Soil and Water assessment Tool (ARNOLD et al, 1998)
- SWIM (KRYSANOVA et al, 1998)
- EUROSEM - European Soil Erosion Model (MORGAN et al 1998)
A análise da erosão dos solos com base na ação dos processos hidrológicos constitui um tema recorrente no setor da modelagem apresentando ampla gama de modelos. Existem diversos modelos aplicáveis a bacias hidrográficas que simulam a hidrologia e os processos erosivos, tais como, ANSWERS, AGNPS, KINEROS, EUROSEM, WEPP, LISEM e SWAT.