Modelos hidrológicos em escala de bacia hidrográfica

A aplicação de modelos em estudos hidrológicos tem se mostrado como ferramenta essencial para a compreensão dos processos naturais que ocorrem na escala de bacia hidrográfica, haja vista a complexidade e as dificuldades envolvidas na quantificação direta de muitos destes componentes.

Diferentemente dos modelos com enfoque em processos individuais, ou mesmo dos modelos que simulam múltiplos processos, porém adotando escala de campo, os modelos concebidos em escala de bacia permitem simular os componentes hidrológicos através de uma abordagem holística, procurando compreender não somente os fenômenos na sua totalidade, mas também as inter-relações existentes entre eles (DANIEL et al., 2011). Em vista disso, tais

modelos são cada vez mais utilizados na previsão de vazões e da qualidade da água, para prevenção de cheias e inundações, na operação de reservatórios, no manejo integrado de águas superficiais e subterrâneas, na avaliação da disponibilidade hídrica, em estudos de impactos do uso da terra e mudanças do clima, transporte de poluentes, dentre outras análises relacionadas ao gerenciamento dos recursos hídricos (SINGH; WOOLHISER, 2002; DHAMI; PANDEY, 2013).

Segundo Paiva (2003) os modelos podem ser classificados, quanto à sua estrutura, em empíricos e conceituais. Os modelos empíricos utilizam relações matemáticas baseadas em observações, sendo mais simples e pouco robustos, uma vez que são concebidos a partir de condições específicas. Desse modo, não permitem realizar simulações em condições para os quais o modelo não previu, tais como, chuvas extremamente altas e mudança de uso do solo (RENNÓ; SOARES, 2000). Já os modelos conceituais são baseados em processos físicos, procurando descrever as etapas que envolvem determinado fenômeno estudado. São modelos mais complexos, geralmente aplicados na escala de bacia hidrográfica ou de campo, requerendo uma maior quantidade de dados de entrada.

Os modelos podem também ser classificados em relação à escala temporal em que operam, sendo agrupados em contínuos ou discretos: os primeiros buscam representar longos períodos da série, muitas vezes contemplando épocas de comportamentos hidrológicos diferentes, enquanto os segundos objetivam modelar períodos e eventos isolados (BREDA, 2008). Além disso, os modelos ainda podem ser classificados em concentrados ou distribuídos. No primeiro caso, os parâmetros variam somente em função do tempo e são representados por equações com uma variável independente, sendo únicos para toda a área, enquanto no segundo podem variar também em relação ao espaço geográfico, utilizando-se para sua representação equações com mais de uma variável independente (MORO, 2005).

Os primeiros modelos hidrológicos surgiram há mais de um século, a partir do equacionamento de alguns processos hidrológicos simples, como, por exemplo, o Método Racional, proposto por Mulvany por volta de 1850 (MARINHO FILHO et al., 2012). Entretanto, apenas a partir de 1950, com o advento dos computadores, houve o desenvolvimento de modelos baseados em conceitos físicos, sendo uma alternativa para os modelos estocásticos utilizados até então (TUCCI, 2005). Nas décadas seguintes diversas agências governamentais de países desenvolvidos começaram a implementar programas de pesquisa hidrológica, resultando em modelos de abordagem espacial distribuída voltados a diversas finalidades. No final da década de 80, a partir de novas demandas dos hidrólogos com relação à representação digital do terreno, passou a ocorrer a integração entre modelos

hidrológicos e Sistemas de Informação Geográfica (SIG), permitindo a criação de modelos de maior complexidade (SINGH; FIORENTINO, 1996).

A maior parte dos modelos descrevem apenas alguns dos processos que ocorrem numa bacia hidrográfica, haja vista a grande dificuldade de se representar tais processos por meio de equações. Entretanto, o avanço das técnicas computacionais permitiu o desenvolvimento de modelos de maior complexidade, capazes de simular não apenas um grande número de processos hidrológicos, mas também integrar outros componentes como o transporte de sedimentos, agroquímicos e simular aspectos qualitativos.

Conforme apontam Dhami e Pandey (2013), os modelos existentes apresentam uma ampla diversidade de características e singularidades, variando em relação às escalas de aplicação espacial e temporal, quanto aos processos modelados, em relação à base relacional dos processos e ao algoritmo utilizado na determinação destes. Na Tabela 1 são apresentadas as principais características de alguns dos modelos hidrológicos reportados com maior frequência pela literatura, sendo dada a seguir uma breve descrição sobre cada um deles.

O modelo TOPMODEL (Topography-Based Hydrological Model) incorpora um conjunto de conceitos hidrológicos para determinação da relação chuva-vazão desenvolvido por Beven e Kirkby (1979). Requer como dado de entrada na forma geoespacial apenas a altimetria na forma de Modelo Digital de Elevação (MDE), enquanto os demais parâmetros são constantes para toda a bacia. Segundo Franchini et al. (1996), dois componentes principais podem ser identificados em sua formulação: o primeiro representa o balanço hídrico no solo e o segundo a propagação do escoamento até o exutório da bacia. O modelo é baseado no conceito de área variável de contribuição, ou seja, o escoamento superficial é dependente da quantidade de área saturada na bacia, podendo esta variar a cada intervalo da simulação. Além disso, é constituído em sua estrutura por reservatórios interligados com diferentes tempos de armazenamento (SILVA; KOBIYAMA, 2007).

O modelo ANSWERS (Areal Nonpoint Source Watershed Enviroment Response Simulation) é composto de dois módulos principais, um destinado a processos hidrológicos e outro a processos erosivos. É aplicado a bacias pequenas e de médio porte com predominância de processos hidrológicos de superfície, podendo ser utilizado com SIG (BEASLEY; HUGGINS, 1980). No processo de modelagem a bacia é subdividida em várias células de tamanho regular e para cada unidade são obtidos valores homogêneos referentes ao relevo, precipitação, solo e cobertura do solo. Tem como foco principal a simulação do comportamento de bacias agrícolas durante e imediatamente após a precipitação, sendo útil no

Tabela 1 – Comparativo entre as características de alguns modelos hidrológicos aplicáveis em escala de bacia, com a especificação do método de simulação dos principais processos hidrológicos (adaptado de DHAMI; PANDEY, 2013; DANIEL et al., 2011, BORAH; BERA, 2003). Modelo Principais componentes

simulados Escala temporal Escala espacial Representação da bacia

Representação dos processos hidrológicos

Intercepção Evapotranspiração Esc. superficial Infiltração Esc. subterrâneo

TOPMODEL

Armazenamentos e fluxos na zona não saturada, saturada e propagação do fluxo na sub-bacia. Único evento (simula de 1 a 24 horas) Semi-

distribuído HRU Não simulado Não simulado

Baseado no índice topográfico de umidade Não simulado Baseado no índice topográfico de umidade ANSWERS Intercepção, escoamento, infiltração, drenagem subsuperficial, erosão e transporte de sedimentos Único

evento Distribuído Grade/células

Volume de intercepção potencial (BEASLEY; HUGGINS, 1980) Não simulado Equações de Manning e da continuidade Relação Holton (1961) e Overton (1965) modificada Equação de Darcy AGNPS Escoamento, infiltração, erosão e transporte de sedimentos Único

evento Distribuído Grade/células Não simulado Não simulado

Método da Curva Número (1972)

Método da Curva

Número (1972) Não simulado

AnnAGNPS Hidrologia, transporte de sedimentos, nutrientes e pesticidas Contínuo (passo diário) Distribuído Grade/células Armazenamento no dossel (VAN DIJK et al., 2001) Método de Penman Modificado (PENMAN, 1948) Método da Curva Número (1972) Método da Curva

Número (1972) Equação de Darcy

MGB-IPH

Balanço de água no solo, evapotranspiração, escoamentos: superficial, sub-superficial e subterrâneo, escoamento na rede de drenagem. Distribuído HRU Dependente da cobertura do solo, expressa em função do IAF Método de Penman- Monteith (MONTEITH, 1965) Relação entre o estado de armazenamento e a porcentagem de área saturada (TODINI, 1996)

Não especificado Não especificado