Aplicações de técnicas de simulação em recursos hídricos têm sido utilizadas por várias décadas, onde o avanço computacional tem influenciado de forma direta na implementação de modelos matemáticos com capacidade de simular uma utilização compartilhada dos recursos hídricos.
Modelos de simulação caracterizam-se por algoritmos matemáticos estruturadas em encadeamentos lógicos que delineiam a operação de um sistema no espaço e no tempo, apresentando como principal alvo a representação e a reprodução detalhada do comportamento de um sistema, prevendo seu comportamento sob determinadas condições.
Segundo Maass et al. (1962) os primeiros modelos de simulação desenvolvidos para serem utilizados na operação de reservatórios datam do início dos anos 1950. Talvez, as primeiras contribuições foram feitas pelo Harvard Water Program.
Um dos modelos de simulação de sistemas de reservatórios mais popular e amplamente utilizado é o modelo HEC-5, desenvolvido pelo Hydrologic Engineering Center (FELDMAN, 1981 e WURBS, 1996).
Existem vários modelos de simulação voltados a sistemas de recursos hídricos e a operação de reservatórios, como: o Acres model (SIGVALDSON, 1976); o Streamflow
Synthesis and Reservoir Regulation Model – SSARR (USACE, 1987), o Interactive River System Simulation Model – IRIS (LOUCKS et al., 1989) e o Water Rights Analysis Package –
Como exemplos de modelos de simulação de operações de reservatório, temos o
Hydrologic Engineering Center-5 (HEC-5), o MODified SIMyld (MODSIM) e o Multi- Reservoir Simulation and Optimization Model (SIM-V), que usam como entrada vazões
afluentes (MARTIN, 1982; JAIN et al., 1998 e DAI e LABADIE, 2000).
Lund e Ferreira (1996) desenvolveram e aplicaram um modelo de simulação para operação de sistemas de reservatórios no rio Missouri, Estados Unidos. Encontraram resultados satisfatórios e superiores, quando comparados com modelos que empregavam programação dinâmica.
Ponnambalam e Adams (1996) utilizaram um modelo de simulação estocástica para definir regras operacionais em um sistema de reservatórios utilizado para a produção de energia elétrica e para irrigação na Índia. De acordo com os autores, os resultados obtidos com a aplicação das regras de funcionamento otimizadas para um modelo de simulação, indicaram um ganho de desempenho no sistema, quando comparado com dados operacionais reais.
Oliveira & Loucks (1997), no contexto do problema da definição de regras operacionais para sistemas de reservatórios, usaram algoritmos de busca genética e apresentaram um método para gerar um conjunto de políticas operacionais, que foram testadas em um modelo de simulação. O algoritmo foi aplicado a um sistema de produção e de fornecimento de energia elétrica, com resultados promissores.
Dyrbak (2000), visando uma otimização eficiente de regras operacionais de sistemas de reservatórios, através de um modelo de simulação denominado MIKE BASIN, simulou processos de escolhas de políticas operacionais em reservatórios na Polônia. O modelo objetivava a não ocorrência de cheias e a maximização da oferta de água ao abastecimento urbano e a irrigação.
Larsen et al. (2000), visando a minimização de conflitos de utilização dos recursos hídricos na Bacia Hidrográfica do rio Mun no Nordeste da Tailândia, utilizaram o modelo MIKE BASIN para definir planos e estratégias operacionais em níveis nacional, regional e local.
Ershadi et al. (2005) utilizou um modelo de simulação para realizar o planejamento integrado de recursos hídricos na bacia hidrográfica do rio Cabul, localizado no sudeste do Afeganistão, onde todas as informações sobre disponibilidades e demandas de água foram organizadas e representadas no referido modelo.
Segundo Hollinshead e Lund (2006) modelos de simulação são comumente utilizados no planejamento operacional de sistemas de reservatórios, o qual pode ser abordado
sob duas óticas distintas: no planejamento de operações sazonais e em estudos de operação do sistema. O planejamento de operações sazonais baseia, para cada ciclo, em previsões de demandas de água e na disponibilidade de água. Estudos de operação do sistema são de longo prazo, onde as regras operacionais são reanalisadas e atualizadas para responder a mudanças climáticas ou regulatórias. Modelos de simulação aplicados a essas duas metodologias.
Devido a não linearidade, a descontinuidade e a singularidade de modelos de simulação usados na resolução de problemas complexos, os procedimentos de busca heurística tornaram-se grandes aliados ao desenvolvimento desses sistemas de simulação (CHENG et al., 2012; XIE et al., 2012; CHEN e CHAU 2006).
Ngo et al. (2007) mostrou estratégias de controle para a operação do reservatório da usina de Hoa Binh no Vietnã, aplicando uma combinação de modelos de simulação e de otimização. As estratégias de controle foram criadas no modelo de simulação MIKE 11 para orientar os lançamentos do sistema de reservatório de acordo com o nível de armazenamento e condições hidro meteorológicas.
Segundo Nicklow et al. (2010) otimizar um processo de decisão operacional de um sistema de reservatórios é complicado devido a existência de parâmetros não lineares e interdependentes no processo. Uma maneira comum de resolver esse problema é o acoplamento de modelos de simulação na metodologia de convergência do problema.
Kang e Park (2014) apresentaram um modelo combinado de simulação e otimização para simular operações de reservatório sem quaisquer regras operação. O modelo utiliza função objetivo não linear com um método de busca heurística (Complex Evolution Shuffled) desenvolvido pela Universidade de Arizona. O modelo é aplicado para a alocação de água no reservatório de Balan da usina hidrelétrica de Seomjingang na Coreia do Sul. Os autores concluem que o modelo é útil para avaliar capacidades de abastecimento de água e demandas de irrigação, oferecendo alternativas viáveis de novas regras de funcionamento em tempo real. Wang et al. (2015) desenvolveram um modelo de simulação para avaliar o desempenho de trajetórias operacionais ideais de curvas de operação de reservatórios. O método utilizado aumenta de forma progressiva a trajetória das curvas até encontrar uma trajetória que maximize a geração anual de energia. Os resultados das simulações foram comparados com os obtidos através de regras e curvas operacionais convencionais e de programação dinâmica estocástica. O modelo foi aplicado para o reservatório de Xinfengjiang na China.