Conceitos dos modelos hidrológicos

Nesta semana iniciamos uma série de textos sobre os modelos hidrológicos com os conceitos principais destas ferramentas utilizadas em Recursos Hídricos. Esta é uma sequência de seis matérias que serão postadas no blog ao longo do tempo (provavelmente intercalada por outros assuntos), iniciando com esta e no futuro com os seguintes títulos: desenvolvimento histórico, estrutura, incertezas, usos e desafios.

A representação dos processos hidrológicos através de modelos é a forma encontrada pelo hidrólogo para estudar os diferentes componentes do ciclo hidrológico e as interações antrópicas. Existem várias formas desenvolvidas para modelar a realidade como o protótipo amostral de um espaço físico real, a visão teórica qualitativa dos processos e a formulação matemática de como se processam os diferentes fenômenos. O modelo existe apenas na nossa imaginação (segundo Stephen Hawkins), é uma representação idealizada de como observamos e entendemos a natureza.

Existem modelos de comportamento que descrevem os processos; modelos de otimização que otimizam um ou mais sistemas projetados e podem utilizar os modelos de comportamento; os modelos de planejamento englobam os anteriores e outros, na busca de tomada de decisão para o desenvolvimento ou conservação hídrica.

No desenvolvimento e análise dos modelos existem processos entendidos e representados de forma determinística, ou seja explicado de forma empírica ou conceitual sem o uso de tratamento estatístico e modelos estocásticos que tratam os processos de forma estatística no tempo, ou ainda a combinação dos anteriores. Neste último os processos conhecidos são tratados com equações determinísticas e os resíduos são explicados por tratamento probabilístico.

O uso de técnicas estatísticas e determinística está sempre presente no estudo das formulações dos modelos hidrológicos, devido principalmente ao conjunto de incertezas envolvidas nos dados, heterogeneidade espacial e temporal dos processos e da combinação caótica de vários sistemas não-lineares.

As principais variáveis hidrológicas são estocásticas devido à dificuldade de representação e entendimento do determinismo que produzem a sua variação temporal, que depende essencialmente dos condicionantes climáticos. Os modelos estocásticos têm sido muito utilizados em hidrologia para representar inferir sobre as variáveis dos processos ou complementar os modelos determinísticos.

Os modelos determinísticos buscam a representação dos processos identificados pelo pesquisador através de equações com variáveis que representam valores no tempo e espaço dos fenômenos envolvidos e parâmetros que retratam condições específicas do sistema representado.

A existência de um modelo para simular um processo não garante que os resultados obtidos sejam adequados e as incertezas envolvidas geralmente se relacionam com: a capacidade do modelo em representar os processos; os erros de medidas e representação das variáveis de entradas e; a variabilidade dos parâmetros para representar o sistema.

A capacidade que um modelo possui para descrever os processos envolvidos depende das formulações utilizadas e suas limitações. Por exemplo, um modelo de escoamento de rios que não considera os efeitos de jusante sobre o escoamento de montante pode ser utilizado quando estes efeitos são desprezíveis, caso contrário as estimativas obtidas apresentarão grandes incertezas e o modelo não terá utilidade. A dificuldade que geralmente aparece está em diferenciar a fonte dos erros, quando pelo menos uma das três incertezas destacadas acima ocorrem, ou seja, modelo inadequado, dados deficientes e parâmetros pobremente estimados. Este cenário é mais crítico em problemas onde dificilmente existem dados para provar os resultados dos modelos, como na simulação hidrodinâmica de ondas de rompimento de barragem.

A engenharia tem utilizado com parcimônia muitos dos modelos para gerenciamento dos recursos hídricos, mas muitas vezes sem um exame adequado das suas limitações, o que tem produzido incertezas nas decisões e nos projetos de recursos hídricos.