Modelos Distribuídos e Baseados Fisicamente

Modelos distribuídos e baseados fisicamente representam processos hidrológicos espacialmente em uma bacia hidrográfica usando as equações governantes do fluxo, resolvendo como o escoamento varia de um lugar para outro.

Definition

Modelos distribuídos e baseados fisicamente são modelos hidrológicos que dividem uma bacia hidrográfica em unidades espaciais e simulam processos usando equações baseadas fisicamente (para infiltração, fluxo subsuperficial e superficial, e roteamento em canais) com parâmetros e entradas espacialmente variáveis.

Scope

Este tópico abrange modelos hidrológicos espacialmente distribuídos e formulações baseadas fisicamente que resolvem as equações para o fluxo superficial e subsuperficial em grades ou elementos, incluindo a abordagem de área de contribuição variável. Ele contrasta com modelos conceituais agregados e se conecta aos desafios de calibração e incerteza.

Core questions

• Como os modelos distribuídos representam a variabilidade espacial dos processos hidrológicos?
• Quais equações governantes fundamentam os modelos baseados fisicamente?
• Como abordagens como o TOPMODEL equilibram a base física e a parcimônia?
• Quais são os limites práticos da modelagem distribuída baseada fisicamente?

Key concepts

• Discretização espacial (grades, elementos)
• Equações governantes do fluxo
• Índice topográfico (TOPMODEL)
• Área de contribuição variável
• Fluxo superficial-subsuperficial acoplado
• Demandas de parâmetros e dados

Key theories

O projeto baseado fisicamente

Freeze e Harlan estabeleceram o projeto para acoplar as equações diferenciais parciais do fluxo superficial e subsuperficial em um único modelo distribuído espacialmente e baseado fisicamente, o modelo para modelos distribuídos posteriores.

TOPMODEL e controle topográfico

O TOPMODEL de Beven e Kirkby usa um índice topográfico para prever a área de contribuição variável de saturação, alcançando uma representação baseada fisicamente da geração de escoamento com relativamente poucos parâmetros.

Modelos de processo totalmente distribuídos

Modelos como o Systeme Hydrologique Europeen (SHE) resolvem as equações de fluxo acopladas em uma grade para toda a bacia hidrográfica, exemplificando a modelagem hidrológica totalmente distribuída e baseada fisicamente.

Clinical relevance

Modelos distribuídos e baseados fisicamente são usados onde o detalhe espacial é importante, como na avaliação de mudanças no uso da terra, previsão de onde ocorrem saturação e erosão, simulação de bacias não monitoradas ou em rápida mudança, e acoplamento da hidrologia com modelos de qualidade da água e da superfície terrestre, embora suas demandas de dados e parâmetros e a equifinalidade restrinjam seu uso.

History

O projeto de Freeze e Harlan de 1969 enquadrou a modelagem distribuída baseada fisicamente; o TOPMODEL (1979) ofereceu uma abordagem parcimoniosa baseada fisicamente impulsionada pela topografia, enquanto modelos abrangentes baseados em grade, como o SHE na década de 1980, buscaram a representação completa do processo, expondo as compensações da demanda de dados e da identificabilidade dos parâmetros.

Debates

Valor da complexidade em modelos distribuídos

Há um debate contínuo sobre se os modelos totalmente distribuídos e baseados fisicamente justificam suas grandes demandas de dados e parâmetros, dada a equifinalidade e o desempenho frequentemente comparável de modelos conceituais ou baseados topograficamente mais simples.

Key figures

• R. Allan Freeze
• Keith J. Beven
• Mike J. Kirkby

Seminal works

• freeze1969
• bevenkirkby1979
• abbott1986

Frequently asked questions

O que torna um modelo baseado fisicamente?

Um modelo baseado fisicamente representa processos usando as equações físicas governantes (por exemplo, para infiltração e fluxo subsuperficial) com parâmetros que, em princípio, têm significado físico, em vez de depender apenas de armazenamentos conceituais calibrados a dados.

Modelos distribuídos são sempre melhores que os agregados?

Não necessariamente. Eles capturam a variabilidade espacial e podem abordar questões que os modelos agregados não conseguem, mas exigem muito mais dados, são mais difíceis de parametrizar e muitas vezes não superam modelos mais simples para prever o fluxo de saída do rio.