Modelagem Hidrológica

A modelagem hidrológica constrói representações matemáticas de processos de bacia hidrográfica e do ciclo da água para simular e prever fluxos, e utiliza análise estatística para caracterizar extremos hidrológicos e incertezas.

Definition

Modelagem hidrológica é a construção, calibração e aplicação de modelos matemáticos e estatísticos que representam a transformação da precipitação em escoamento e outros fluxos do ciclo da água, utilizados para simular, prever e analisar o comportamento hidrológico e sua incerteza.

Scope

Esta área abrange modelos conceituais de chuva-vazão, modelos distribuídos e baseados fisicamente que resolvem a variabilidade espacial, a calibração de modelos em relação a observações e a estimativa da incerteza preditiva, e a análise estatística de séries hidrológicas como frequência de cheias e secas. É o complemento quantitativo e preditivo das áreas de hidrologia orientadas a processos.

Sub-topics

• Distributed and Physically Based Models
• Hydrological Statistics and Frequency Analysis
• Model Calibration and Uncertainty
• Rainfall-Runoff Models

Core questions

• Como os modelos conceituais e baseados fisicamente representam a hidrologia de bacias hidrográficas?
• Como os parâmetros do modelo são calibrados e o desempenho do modelo é avaliado?
• Como a incerteza preditiva em previsões hidrológicas pode ser quantificada?
• Como as frequências de cheias e secas são estimadas a partir de registros hidrológicos?

Key concepts

• Modelos conceituais e baseados fisicamente
• Modelos distribuídos versus concentrados
• Calibração de modelos e estimativa de parâmetros
• Eficiência de Nash-Sutcliffe e bondade de ajuste
• Equifinalidade e incerteza preditiva
• Análise de frequência de cheias e secas

Key theories

Modelagem conceitual chuva-vazão

Bacias hidrográficas podem ser representadas por armazenamentos e fluxos conceituais interconectados cujos parâmetros são calibrados para reproduzir o fluxo observado, oferecendo simulações parcimoniosas e operacionalmente úteis da transformação chuva-vazão.

Equifinalidade e estimativa de incerteza

Muitos conjuntos de parâmetros e estruturas de modelo diferentes podem reproduzir observações igualmente bem (equifinalidade), de modo que estruturas como GLUE tratam a avaliação do modelo probabilisticamente e enfatizam a estimativa da incerteza preditiva em vez de buscar um único modelo ótimo.

Bondade de ajuste e avaliação de modelos

Medidas objetivas como a eficiência de Nash-Sutcliffe quantificam o quão bem os hidrogramas simulados correspondem às observações, fornecendo uma base padrão para calibrar e comparar modelos hidrológicos.

Clinical relevance

Os modelos hidrológicos são a base para a previsão operacional de cheias e secas, operação de reservatórios e abastecimento de água, projeto de infraestrutura hidráulica e avaliação de como o uso do solo e as mudanças climáticas afetam os recursos hídricos, com a análise de frequência fornecendo os valores de projeto utilizados em engenharia e seguros.

History

A modelagem hidrológica evoluiu do hidrograma unitário e dos primeiros armazenamentos conceituais para modelos digitais de bacia hidrográfica a partir da década de 1960 e modelos distribuídos baseados fisicamente a partir da década de 1980. O reconhecimento da equifinalidade e da incerteza paramétrica, articulado por Beven e Binley, direcionou o campo para a estimativa explícita da incerteza.

Debates

Modelos baseados fisicamente versus modelos conceituais

Há uma discussão contínua sobre se modelos distribuídos complexos baseados fisicamente proporcionam ganhos preditivos proporcionais às suas demandas de dados e parâmetros, dada a equifinalidade e o sucesso prático de modelos conceituais parcimoniosos.

Key figures

• Keith J. Beven
• James E. Nash
• David R. Maidment

Seminal works

• beven2012
• nash1970
• beven1992

Frequently asked questions

Por que os modelos hidrológicos precisam de calibração?

Muitos parâmetros do modelo não podem ser medidos diretamente na escala da bacia hidrográfica, então seus valores são ajustados até que o modelo reproduza o fluxo observado; a calibração ajusta esses parâmetros efetivos à bacia hidrográfica e aos dados específicos.

O que é equifinalidade na modelagem hidrológica?

Equifinalidade é a situação em que muitos conjuntos de parâmetros diferentes, ou mesmo estruturas de modelo, se ajustam às observações disponíveis de forma aproximadamente igual, o que limita a identificabilidade de um único melhor modelo e motiva a estimativa da incerteza preditiva.