Um modelo pode ser considerado como uma representação simplificada da realidade que permite o entendimento de um ou mais processos. Segundo Christofoletti (2002), um modelo é qualquer representação simplificada da realidade capaz de reconstruí- la, prever um comportamento ou uma evolução. Desta forma, os modelos são considerados abstrações que pretendem representar o comportamento dos sistemas ambientais.
Para Christofoletti (2002), os modelos podem servir como instrumento de planejamento, pois por meio da previsibilidade e da simulação, fornecem informações importantes para a tomada de decisões.
De acordo com Vestena (2009), os modelos hidrológicos podem ser físicos, que representam o sistema por meio de um protótipo, utilizando materiais físicos de pequena escala; ou matemáticos, os quais baseiam-se em enunciados matemáticos para representar o sistema.
Tucci (1998), no que se refere aos modelos hidrológicos menciona que esses, são ferramentas úteis que permitem por meio de operações equacionais, representar, entender e simular a dinâmica dos processos hídricos de uma bacia hidrográfica.
Nas ciências naturais os modelos vêm ganhando destaque em estudos ambientais, visando identificar, simular e prever as alterações e impactos no ambiente. Devido ao aumento da preocupação ambiental e a avaliação do impacto da alteração do uso do solo, intensificou-se o desenvolvimento de modelos com maior base física, procurando definir relações que pudessem ser estabelecidas entre as características físicas do sistema e os parâmetros, reduzindo assim, o empirismo na estimativa dos parâmetros (TUCCI, 1998).
Para Lyra et al. (2006), é notória a importância de novas tecnologias no contexto atual, sendo fundamental a aplicação do seu domínio por parte da comunidade científica geográfica como suporte para investigação dos fenômenos da natureza e sociedade, como exemplos, o uso de modelos matemáticos.
Nas pesquisas geográficas, os modelos matemáticos vêm ganhando espaço em virtude das necessidades atuais de gestão do ambiente, como as bacias hidrográficas, recorte espacial muito utilizado no delineamento de áreas de pesquisas, bem como, para utilização na elaboração de previsões do comportamento de fenômenos naturais com antecedência e mais próximo do real possível.
Além disso, a modelagem hidrológica é uma técnica que possibilita um melhor entendimento e representação do comportamento hidrológico de bacias hidrográficas, sendo
que os modelos potencializam a caracterização das mesmas, bem como avaliar a disponibilidade hídrica, frente a variáveis climáticas e os cenários de usos do solo (TUCCI, 1998).
Para More (1975), os modelos usados na Hidrologia possuem três objetivos, que são: 1- simplificar e generalizar realidades complexas; 2 - prever a ocorrência de eventos hidrológicos, e 3- planejar o uso futuro dos recursos d’água.
Vestena (2009) destaca quatro conceitos relevantes para melhor compreensão do sistema e do modelo que representa, são eles:
1. Fenômeno – é um processo físico observável, que produz qualquer alteração de estado em um sistema (precipitação, evaporação, infiltração).
2. Variável – que presenta o valor de uma grandeza física que descreve quantitativamente um fenômeno, pode variar no espaço e no tempo, como a vazão que é uma variável que descreve o estado do escoamento.
3. Parâmetro – é o valor de uma característica do sistema, que condiciona a dependência entre as variáveis e pode variar com o espaço e o tempo, como a área de uma bacia hidrográfica, a rugosidade de uma seção de um rio, as áreas saturadas de uma bacia. Sendo o modelo um conjunto de equações relacionando as variáveis, os parâmetros são os coeficientes dessas equações.
4. Simulação – é o processo de utilização do modelo. A simulação possui três fases, são: a) Estimativa ou ajuste – é a fase da simulação onde os parâmetros devem ser determinados, dependem da disponibilidade de dados históricos, medições de amostras e determinação das características físicas do sistema. Os parâmetros são determinados por meio de medições, calibrações e/ou ensaios. b) Verificação – é a simulação do modelo com os parâmetros estimados, onde se verifica a validade do ajuste realizado. Os dados de saída são utilizados\apenas para observar o modelo. c) Previsão - consiste na simulação do sistema pelo modelo com parâmetros ajustados para quantificação de suas respostas a diferentes entradas. Geralmente utilizado para representar a saída do sistema para situações hipotéticas.
Rennó e Soares (2000) apontam que a modelagem hidrológica surgiu como uma ferramenta, capaz de antecipar acontecimento apontando alternativas que conduzam a
manutenção da capacidade produtiva do ambiente.
De modo geral, os modelos hidrológicos encontrados na literatura, tendem a simular o percurso da água desde a entrada no sistema, que é dado por meio da chuva e a saída no exutório da bacia, representado pelo escoamento e pela evapotranspiração. Esses modelos utilizam parâmetros que são capazes de representar a distribuição espacial da precipitação e
as perdas de água que ocorrem devido a interceptação, evaporação, infiltração, percolação, e pelo escoamento, espacializados pela representação cartográfica da área da bacia.
Quanto à estrutura dos modelos hidrológicos Tucci (1998), nos mostra que estão estritamente ligados com a discretização da bacia hidrográfica, e que as variáveis de entrada como os dados de chuva, vazão, precipitação, entre outros, e a estruturação da integração dos processos, como a definição dos parâmetros que servirão como dados de entrada variam de acordo como as características e necessidades de cada modelo.
Em relação à classificação dos modelos, esses podem ser dar em virtude de diferentes aspectos, geralmente de acordo com o tipo de variáveis utilizadas na modelagem. Quanto às classificações dos modelos, no quadro 1 pode ser observado a classificação segundo os autores, Chorley (1975), Chorley e Haggett (1975), Chow et al. (1988), Maidment (1993), Vertessy et al. (1993) Singh (1995), Tucci (1998), Christofoletti (2002) e Vestena (2009).
Na Hidrologia muitos modelos vêm se destacando devido aos bons resultados obtidos em sua aplicação nos estudos em bacias hidrográficas, principalmente os modelos de precipitação-vazão, como o TOPMODEL (Topography-based hydrological model), que por meio da simulação, é capaz de identificar e representar a dinâmica das áreas saturadas de uma BH.
Quadro 1. Classificação dos modelos conforme as variáveis utilizadas na modelagem
CLASSIFICAÇÃO DOS MODELOS QUANTO SUAS CARACTERÍSTICAS
Qu an to à d e scr iç ão d o s p ro ce ssos n atu rai s Fisicamente baseados
Descrevem os sistemas naturais usando as equações gerais da física de conservação de massa, energia, e quantidade de movimento, condições iniciais e de contorno adequadas. Sem necessidade de calibragem, permitem determinar o valor das variáveis e parâmetros no espaço e no tempo.
Empíricos
Modelos cujas equações são empíricas, relacionando os dados de entrada e saída sem considerar a natureza dos processos físicos envolvidos. Os modelos caixa preta exigem pouca ou nenhuma informação detalhada relativa aos componentes do sistema, estando o interesse focalizado na natureza das saídas que resultam das diferentes entradas.
Conceituais
Apresentam simplificações dos processos físicos envolvidos usando equações empíricas sobre os processos.
Qu an to à n atu re za d as var iáv e is Determinísticos
Nos modelos determinísticos, a natureza probabilística não é considerada: para um mesmo conjunto de valores da entrada, o sistema produz sempre a mesma saída.
Estocásticos
Consideram o caráter aleatório das variáveis hidrológicas de modo que, para um mesmo conjunto de valores de entrada, o sistema produz uma variável aleatória de saída, uma distribuição de probabilidades.
Qu an to à lin e ar id ad e Lineares
A condição necessária para um sistema possuir um comportamento linear, ou seja, as propriedades de superposição e conformidade são satisfeitas.
Não lineares O sistema possui um comportamento não linear.
Qu an to a var iaç ão te m p o ral d as var iáv e is Discreto
As variáveis restringem-se a eventos ou períodos específicos. A escolha do intervalo tempo a ser empregado sempre está ligada ao objeto que se pretende na modelagem.
Contínuo
Os modelos que utilizam variáveis em sequencias por longos períodos de tempo continuamente.
Qu an to à var iaç ão e sp ac ial d as var iáv e is Concentrados (lumped)
As variáveis são consideradas homogêneas no sistema, ou seja, a variabilidade espacial é representada por um único valor médio, usando somente o tempo como variável independente.
Distribuídos
As variáveis são consideradas como funções do espaço no sistema, levam em consideração as variações espaciais do comportamento no interior do sistema. Os modelos distribuídos subdividem o sistema em elementos que são considerados homogêneos quanto às propriedades avaliadas, necessitando considerável quantidade de dados de entrada e tempo de processamento.
Fonte: Adaptado de VESTENA, 2009.