Modelos e simulação hidrológica

Simulação é um processo de uso de modelos susceptíveis a dar uma visão geral de um evento hidrológico e aproximando a realidade. Existe três fases da simulação a destacar: calibração (ajuste do modelo), validação (verificação) e previsão sendo que cada fase tem o seu papel bem definido. Os parâmetros são determinados na fase de calibração no âmbito da simulação e dependem da disponibilidade dos dados históricos, medições da amostra e determinação das características do sistema, a validação faz com que a tal simulação verifique e valide o ajuste feito anteriormente na fase de calibração e a previsão é a fase da execução do modelo e a quantificação das respostas a diferentes entradas da simulação. O modelo hidrológico serve como uma ferramenta de apoio aos profissionais do planejamento dos

recursos hídricos (tais como engenheiros hidrólogo e outros) permitindo uma boa percepção e compreensão dos acontecimentos hidrológicos e as suas variações dentro da bacia hidrográfica e possibilitando o prever do comportamento da bacia sob as diversas condições existentes. Geralmente existem uma gama de variedade de modelos desde os mais simplificados como o caso do Método Racional até os mais complexos (modelos que consideram a variabilidade espacial e temporal do evento chuvoso) representando as características fisiográficas da bacia hidrográfica.

Existem vários métodos para estimativa de parâmetros utilizados na modelagem a destacar:

Estimativas sem dados históricos: quando não existem dados sobre as variáveis do sistema podendo ser estimados com base nas informações das características do sistema; Ajuste por tentativas: é o processo em que existindo valores das variáveis de entrada e saída, são obtidos por tentativas os parâmetros que melhor representam os valores observados;

Ajuste por otimização: utiliza os mesmos dados no âmbito das tentativas, mas complementados por métodos matemáticos, otimiza uma função objetivo que retrata a diferença entre os dados observados e calculados pelo método (BARBOSA, 2006).

Um modelo hidrológico tem o objetivo de determinar com eficiência e precisão os componentes envolvidos no ciclo hidrológico para a sua efetivação dentro duma bacia hidrográfica ou área de interesse e estimar o comportamento com um certo rigor e a magnitude do seu recurso hídrico (MARINHO FILHO et al., 2012). A necessidade de se fazer um levantamento taxativo de dados para a sua construção constitui uma das maiores limitações desses modelos complexos na qual a aquisição dessas ferramentas inerentes não são tarefas facilitadas para o pesquisador e criando em alguns casos uma decisão complicada do seu uso e um questionamento dos resultados finais que esta proporciona. Sendo assim, a modelação hidrológica é usada para responder ou delinear seguintes itens:

 Fornece dados para projetos de engenharia analisando a consistência e corrigir as falhas nas séries históricas fornecidas. Nesse caso, na dificuldade de se encontrar dados fluviométricos usa-se os dados pluviométricos na simulação e observa-se o comportamento da chuva.

 Simular vazões em cursos de água de bacias submetidas a intervenções, dado que as suas características estão em processos constantes de alterações.

 Prever fluxos que subsidiem o gerenciamento de barragens e sistemas de alertas das enchentes e dimensionar as estruturas hidráulicas necessárias.

 Análise do impacto das obras hidráulicas em cursos de água.

 Avaliar o impacto de intervenções antrópicas em bacias hidrográficas e prever os seus efeitos sobre o solo.

 Estudar, equacionar e reproduzir as diversas fases do ciclo hidrológico, objetivos inerentes às atividades de pesquisa (KAISER, 2006).

Os modelos podem ser classificados de várias formas de acordo com o tipo de variáveis usados na modelagem (estocásticos ou determinísticos), o tipo de relações entre as variáveis (empíricos ou conceituais), a forma de representação dos dados (discreto ou contínuos), a existência ou não de relações espaciais (concentrados ou distribuídos) e a existência de dependência temporal (estacionários ou dinâmicos) (MARINHO FILHO et al., 2012).

Modelos Determinísticos: as equações utilizadas para descrever as fases do ciclo hidrológico não contêm componentes aleatórios produzindo a mesma resposta final numa determinada situação inicial, ou seja, os conceitos de probabilidades são negligenciados durante a elaboração do modelo.

Modelo Estocástico ou Probabilístico: as formulações utilizadas na descrição do fenômeno contêm variáveis aleatórias que seguem alguma distribuição probabilística, isto é, se as variáveis forem levadas em conta e introduz-se o conceito as probabilidades na formulação do modelo.

Modelos Distribuídos: quando as variáveis e parâmetros dependem do espaço e do tempo no modelo. Segundo Marinho Filho et al. (2012), estes modelos possuem a capacidade de representar a variabilidade espacial das características físicas da bacia hidrográfica e aplicam a lei da conservação de massa em escala local utilizando como dado de entrada uma quantidade grande de informações que definem as características espaciais da bacia hidrográfica.

Modelos Concentrados (lumped): são aqueles que não consideram a variabilidade espacial das variáveis hidrológicas envolvidas no processo de modelagem, isto é, considera os dados de entrada e os parâmetros representativos da bacia como valores médios, válidos para toda área de estudo (KAISER, 2006).

Modelo Contínuo: este modelo foi desenvolvido para simular longos períodos da série contemplando tempos de comportamentos hidrológicos diferentes sendo considerado algum tipo de acumulação de umidade no solo, ou seja, apresenta uma estrutura mais detalhada e desenvolvida para simular com maior exatidão todas fases do ciclo hidrológico.

Modelo Discreto: é considerado assim quando objetiva a modelagem de períodos isolados da série em intervalos discretos buscando representar eventos de cheia ou recessão.

Modelos Empíricos (Black-Box): quando os valores calculados são ajustados aos dados observados através de funções matemáticas que não levam em considerações os processos físicos envolvidos dando a entender um ajuste estatístico.

Modelo Conceitual e Semiconceitual: utiliza as funções matemáticas empíricas para explicar alguns dos subprocessos envolvidos procurando representar da forma mais simplificada todos os processos do ciclo hidrológico.

Modelo Estacionário ou Dinâmico: os modelos são considerados estacionários quando descrevem o fenômeno em determinado momento levando com que os parâmetros não possam variar com o tempo. Os modelos dinâmicos, os parâmetros variam com o tempo.