Histórico do desenvolvimento dos modelos hidrológicos

Dando continuidade a sequencia de artigos sobre modelos, nesta semana apresentamos um resumo da evolução dos modelos hidrológicos.

Os primeiros modelos tratavam de descrever os processos de cada componente do ciclo hidrológico, como infiltração, por Horton na década de 30, o escoamento em rios, por MacCarthy com o Modelo Muskingun e Puls para o escoamento em reservatório.

Os problemas e os sistemas eram delimitados para se obter a solução de um problema específico. Somente na década de 50, em função da disponibilidade do computador, apareceram os primeiros modelos hidrológicos que reuniam os vários processos para descrever a transformação da precipitação em vazão como os modelos SSARR (Rockwood, 1958). As décadas de 60 e 70 foi marcada pela introdução de vários outros modelos que contribuíram com características singulares como o Stanford IV que introduziu a distribuição espacial da avaliação da infiltração, Dawdy e O’Donnell (1965) e HEC-1. Ibbitt em 1973 que introduziu a otimização dos parâmetros de um modelo hidrológico, entre outros. Neste período foram apresentados vários outros modelos hidrológicos que tinham um novo nome, mas eram combinações de outros algoritmos básicos, com relação aos modelos citados. Em realidade, o número de combinações possíveis de diferentes métodos em cada componente da parte terrestre do ciclo hidrológico é muito grande e cada pesquisador tendia a buscar a que se sentia mais familiar, ou a que apresentava os melhores resultados nas bacias da sua região.

Nesta época surgiram alguns trabalhos de comparação entre os diferentes modelos, organizados por instituições como a WMO ou OMM (Organização Meteorológica Mundial). Por exemplo, a WMO em 1975 comparou modelos conceituais para previsão e WMO em 1986 tratou da comparação de modelos para geração de séries de vazões e neve. Já WMO em 1992 tratou da comparação de modelos para previsão em tempo real. Os resultados de comparação entre modelos geralmente não se mostraram claros, principalmente porque as incertezas dos dados e da representatividade são maiores que as diferenças entre as equações utilizadas e a habilidade do usuário em buscar um conjunto de parâmetros na simulação compensavam as diferenças entre modelos que usam equações empíricas equivalentes. Portanto, dentro de um mesmo grupo de modelos, o melhor é aquele em que o usuário possui mais familiaridade.

Estes modelos foram introduzidos para analisar o comportamento dos processos hidrológicos, estender séries de vazões para regularização de vazão e dimensionamento de obras. Objetivos primordialmente de projetos específicos de engenharia em que a série para ajuste é estacionária. Os modelos tinham características semelhantes e não mostravam melhoria de simulação porque as principais limitações estavam relacionadas com a representação da distribuição temporal e espacial da precipitação, onde os erros eram maiores que os ganhos que poderiam ser incorporados pelas variantes de uma equação empírica e em detrimento de outra.

No final da década 70 início da de 80 verificou-se duas tendências:

(a) os modelos tinham muitos parâmetros, o que dificultava seu ajuste quando existiam muitas sub-bacias e processos que produziam pouca sensibilidade na vazão de saída. Verificou-se que com apenas alguns parâmetros (cerca de 3 a 4) podia-se obter resultados equivalentes devido a baixa sensibilidade dos demais, resultando em modelos com menor número de funções e parâmetros (IPH II, Tucci et al, 1981 e Lopes et al, 1982) e mais eficientes na engenharia. Uma das aplicações que mais se beneficiou desta simplificação foi a previsão em tempo – real que necessitava de parcimônia para melhorar a atualização dos parâmetros;

(b) com o aumento da preocupação ambiental e avaliação do impacto da alteração do uso do solo iniciou-se o desenvolvimento de modelos com maior base física, procurando estabelecer relações que pudessem ser estabelecidas entre as características físicas do sistema e os parâmetros, reduzindo o empirismo das estimativas dos parâmetros. No fundo isto significava ir além da equação da continuidade, ou seja como em rios em canais, introduzir a equação de quantidade de movimento que representa o efeito das forças no escoamento.
Nesta linha, observou-se o desenvolvimento de modelos:

•na área de agricultura com o objetivo de a avaliação do escoamento, sedimentos e componentes de qualidade da água em pequenas parcelas rurais, alguns hectares (CREAMS, USDA, 1980; ANSWERS, Beasley e Huggins,1981). O componente de transformação de precipitação e vazão geralmente são algoritmos utilizado nos modelos em sub-bacias maiores; e
•modelo hidrológicos que retratavam apenas a transformação chuva-vazão com fundamentos hidrológicos físicos como o Topmodel e o SHE . Estes e os anteriores são denominados de distribuídos porque geralmente utilizavam algum atributo espacial de discretização mais aprimorado que a sub-bacia. No entanto, não apresentavam melhor resultado que os modelos tradicionais no hidrograma de saída devido ao seguinte: (1) a representação espacial e temporal da precipitação é onde reside o maior erro e alguns pluviômetros limitam os resultados; (2) a dificuldade de ajustar o modelo para um número muito grande de parâmetros; (3) o usuário tem dificuldade de assimilar o grande número de interações espaciais e ganhar sensibilidade no seu uso; (4) as formulações introduzidas ainda carregam muito empirismo e os parâmetros estimados numa parcela não representa necessariamente o processo no espaço maior; (5) a falta de dados em diferentes escalas dificulta o entendimento e a representação dos processos de escala hidrológica. O benefício é o de poder retratar processos distribuídos.
•Na década de 90, com o desenvolvimento de modelos climáticos globais, verificou-se que a atmosfera não era um sistema isolado e necessitava de informações e interações com os oceanos e a terra. Ao buscar simular o sistema terrestre para integrar com os modelos climáticos identificou-se que as escalas de resolução eram incompatíveis entre si. Uma quadrícula do modelo GCM era maior que toda a bacia usualmente simuladas em hidrologia. Alguns autores trataram de representar os processos como o escoamento no solo por equações diferenciais, mas existe pouca coerência espacial, pois estas equações retratam processos observados em poucos metros, enquanto que os modelos climáticos possuem quadrículas da ordem de 100 km! Este desafio aumentou ainda mais a necessidade da hidrologia de escala e o estabelecimento de funções físicas que pudessem ser aferida no campo. Os modelos hidrológicos de grandes bacias se desenvolveram buscando o princípio de distribuição espacial da capacidade de infiltração utilizado no Stanford IV e usado nos diferentes modelos a seguir. Os modelos para grandes bacias necessitam tratar o problema de forma distribuída e estabelecer quadrículas compatíveis com os modelos climáticos.
•Neste mesmo período, os avanços de modelos distribuídos na escala da bacia hidrográfica (meso escala) mostrou avanços importantes principalmente através: do uso do geoprocessamento que permitiu a identificação espacial das variáveis de entrada e de atributos físicos das bacias, também utilizada nos citados modelos no parágrafo anterior; uso de incerteza na estimativa de parâmetros mas sensíveis;

Na simulação dos efeitos de alteração do clima, das condições antrópicas (outras além do efeito estufa) em diferentes escala tem exigido dos modelos o seguinte:

•formulações que retratem não somente a transformação de precipitação em escoamento, mas também a produção e o transporte de sedimentos, a qualidade da água e ainda o desenvolvimento de novas paisagens ambientais em função dos condicionantes gerados;
•modelos de identifiquem de forma adequada as incertezas geradas pelos seus diferentes condicionantes e propaguem a mesma para a variável de decisão;
•modelos que retratem os processos nas suas escalas espaciais.

About Prof. PhD Carlos E. M. Tucci

Engenheiro civil, MSc, PhD, professor aposentado do IPH-UFRGS, sócio-fundador da Rhama Consultoria Ambiental. Autor de mais de 300 artigos científicos, livros, capítulos de livros. Experiência de mais de 40 anos na área, com atuação junto a empresas e entidades nacionais e internacionais como: Unesco, Banco Mundial, BID, ANEEL, ANA, Itaipu, entre outros. Premiado em 2011 pela International Association of Hydrological Sciences.

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