Quintela e Portela, 1975, propuseram uma possível classificação para os modelos hidrológicos tal que são divididos inicialmente por determinísticos ou não determinísticos. Os primeiros caracterizam-se por uma dada ação implicar a mesma resposta, no entanto, se em parte essa resposta for aleatória está-se perante um modelo não determinístico.
Os modelos determinísticos podem ser considerados divididos em dois grupos, empíricos ou fisicamente baseados. Se um modelo for empírico significa que a análise do processo hidrológico procura uma relação causa/feito entre variáveis de entrada e de saída, mas, se for fisicamente baseado significa que a análise do processo hidrológico procura reproduzir as leis físicas que regem os fenómenos. Estes últimos ainda se podem subdividir em agregados ou distribuídos consoante as variáveis hidrológicas integradas na formulação (Quintela & Portela, 1975).
Os modelos não determinísticos podem ser divididos em dois grupos, nomeadamente, probabilísticos ou estocásticos. Os primeiros caracterizam-se quando as variáveis intervenientes têm comportamento puramente aleatório e assim é ignorada a sequência temporal ou espacial dos valores das variáveis. Os estocásticos são caracterizados quando, para além da componente aleatória existe outra que permite contemplar a sequência temporal ou espacial dos valores das variáveis (Quintela & Portela, 1975).
30 Modelos Hidrológicos Matemáticos Determinísticos Não Determinísticos Empíricos Físicamente baseados Probabilísticos Estocásticos Agregados Distribuídos
Figura 2.10 – Modelos hidrológicos matemáticos (Quintela & Portela, 1975)
Todas estas distinções são frequentemente usadas em Hidrologia e são críticas na seleção de um modelo no que diz respeito à disponibilidade de valores observados, sejam de dados de carregamento do modelo ou observados.
Os modelos determinísticos são utilizados para a análise de cheias, na simulação de escoamentos fluviais e à modelação de segmentos limitados do ciclo hidrológico em bacias hidrográficas. Por outro lado, a escolha de modelos não determinísticos é baseia-se no argumento de que estes representam uma forma mais coerente os processos físicos que ocorrem numa bacia hidrográfica. No entanto, estes modelos necessitam de uma extensa e detalha informação para que a sua parametrização seja aceitável. Aplica-se a acontecimentos extremos e modelos para simulação de escoamento fluviais e para dimensionamento de albufeiras.
Concluindo, muitos modelos não explicam as simplificações utilizadas na solução das equações do próprio modelo nem discutem os problemas referentes à calibração de parâmetros. Geralmente as equações físicas destes modelos são definidas para condições homogéneas e bem controladas e a sua generalização não observa a heterogeneidade natural dos elementos envolvidos na modelação. Este conjunto de fatores torna-os não muito adequados à modelação de situações extremas, mas, particularmente apropriados à simulação de escoamentos fluviais, sendo que neste cado o modelo alem de fisicamente baseado terá de ser contínuo.
2.3.3. Aplicação da Modelação Hidrológica à Análise de uma Série de Precipitação Contínua A análise contínua visa a obtenção de uma expectativa do caudal observado em condições naturais. Do ponto de vista hidrológico, verifica-se a existência de escoamento quando a água presente na natureza fluiu pela superfície do terreno. Essa água provem de volumes prendidos pela cobertura vegetal das árvores e arbustos, pelas irregularidades das superfícies do terreno quando ocorre precipitação ou até mesmo a partir
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de lenções freáticos. A caracterização contínua de um curso de água, na sequência de precipitação, requer um estudo de escoamentos, hidrogramas de cheia, evapotranspiração e variação de água no solo.
2.3.3.1. Componentes de um Hidrograma
Uma ocorrência de precipitação significativa ocorre após um intervalo de tempo sem chuva de modo a que não haja água sobre o terreno e na rede hidrográfica. O nível da superfície livre numa seção do curso de água encontra-se a uma dada cota e com um determinado caudal. Para que o nível da superfície livre aumente é necessário que decorra algum tempo e consequentemente o caudal escoado também irá aumentar.
O facto de não haver elevação do nível da superfície livre durante o período inicial significa que a precipitação caída sobre a bacia hidrográfica não está a contribuir para o aumento do caudal que do curso de água. Esta ao ser intercetada por obstáculos fica armazenada nas depressões e irregularidades da superfície e por se infiltrar no solo, aumentando o teor de humidade. Contudo, o aumento do caudal escoado depende de fatores geológicos, topográficos e de coberto vegetal, do défice de humidade na bacia hidrográfica, das condições antecedentes de humidade e de armazenamento de água na bacia e da própria intensidade de precipitação. Claramente que, quanto maior for a intensidade do acontecimento chuvoso menor será o défice do nível superficial. Posto isto, haverá aumento de caudal escoado no curso de água quando o défice de humidade na bacia hidrográfica se anular, ou seja, quando a camada de solo estiver junto da superfície da zona saturada (Lencastre & Franco, 2010).
2.3.3.2. Forma do Hidrograma e Fatores Condicionantes
Segundo Lencastre e Franco, 2010, um hidrograma tem geralmente a forma de uma campânula assimétrica onde e registado a precipitação ocorrida na respetiva bacia hidrográfica. Estes são importantes para a caracterização por parte de alguns modelos das diferentes componentes do escoamento superficial.
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a
b
c
d
1
2
3
4
Figura 2.11 – Características de um hidrograma tipo (Lencastre & Franco, 2010)
a) A curva de crescimento que corresponde ao aumento de caudal motivado pelo incremento do escoamento, e que ocorre durante o tempo de descimento ou tempo para a ponta, tp.
b) A ponta do hidrograma que representa o valor máximo do escoamento direto.
c) A curva de decrescimento que corresponde à diminuição progressiva do escoamento e que decorre durante o tempo de decrescimento, td.
d) A curva de esgotamento que corresponde ao decréscimo exponencial do escoamento base, depois de terem cessado as contribuições das restantes componentes do escoamento superficial.
Contudo, o importante sobre a interpretação de num hidrograma são:
1) O tempo de resposta de uma bacia hidrográfica (lag), tI, em que corresponde ao intervalo de tempo definido pelos instantes correspondentes ao centro de gravidade da precipitação útil e à ponta do hidrograma.
2) O tempo de concentração útil, tr, é o tempo durante ocorre a fração útil da precipitação.
3) O tempo de concentração de uma bacia hidrográfica, tc, é o tempo necessário para que toda a sua área contribua para o escoamento superficial na seção de saída.
4) O tempo de esvaziamento da rede hidrográfica, te, é o tempo que decorre entre a ocorrência do ponto de inflexão da curva de crescimento e a extinção do escoamento.
33 2.3.3.3. Precipitação Contínua
Um acontecimento de precipitação contínua designa-se pela ocorrência de uma grande quantidade chuva sobre a bacia hidrográfica durante um período de tempo significativo.
O conceito de precipitação crítica assegura que a totalidade da área da bacia hidrográfica contribui para o escoamento da seção em estudo, originando assim um caudal elevado que deve igual, ou superior, ao tempo de concentração da correspondente bacia hidrográfica (Lencastre & Franco, 2010).
As redes udométricas são da responsabilidade da APA onde fornecem registos de precipitações diários máximos anuais. Hoje em dia, estes dados são obtidos através do portal SNIRH, em formado de dados de SIG, na forma raster, sendo possível a análise de precipitações para a generalidade das bacias hidrográficas portuguesas.
2.3.3.4. Hietograma das Precipitações
A discretização temporal de precipitação é traduzida por recurso de diagramas cronológicos dos sucessivos valores da precipitação ou da respetiva intensidade. Estas representações podem ser discretas ou contínuas correspondendo o primeiro caso ao hietograma da precipitação.
Os padrões mais frequentes em hietogramas são em blocos e, uma das suas vantagens é subestimação introduzida caso se considere a distribuição uniforme da intensidade da precipitação para uma dada duração crítica. Portela, 2006, afirma que a forma de maximizar as estimativas dos caudais devem seguir hietogramas de blocos (Portela, 2006).
Figura 2.12 – Esquerda) Hietograma da precipitação; Direita) Distribuição temporal adimensional da precipitação (Portela, 2006)
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2.3.4. Parâmetros necessários para Modelação Hidrológica