Análise do desempenho de modelos hidrológicos conceituais em 508 bacias hidrográficas brasileiras

Abstract

O uso de múltiplos modelos hidrológicos como hipóteses do funcionamento da bacia pode ajudar a compreender melhor as bacias hidrográficas. Estudos com uma grande amostra de bacias, entretanto, utilizam normalmente apenas um modelo conceitual para representar todas as bacias. Além disso, não existe orientação sobre qual modelo ou estrutura de modelo é melhor, tampouco quais são os processos e mecanismos dominantes para cada tipo específico de bacia. O objetivo geral deste trabalho foi analisar a performance de diferentes estruturas de modelos hidrológicos conceituais em bacias hidrográficas localizadas no Brasil. Foram utilizados quatro modelos diferentes desenvolvidos seguindo a estrutura proposta do SUPERFLEX. A existência de relação entre a estrutura do modelo e as características hidrológicas das bacias foi verificada através de assinaturas hidrológicas. As características hidrológicas que mais influenciaram no desempenho dos modelos foram as relacionadas a variabilidade do fluxo. Modelos em série foram melhores com o aumento das assinaturas hidrológicas relacionadas à variabilidade. O comportamento oposto foi encontrado para os modelos em paralelo. Para bacias cujo escoamento do rio é dominado pelo escoamento de base, as estruturas em paralelo foram superiores daquelas em série. Isto indica que a representação do processo subterrâneo no modelo está relacionada com o que realmente acontece nas bacias. Foi analisado ainda quando diferentes processos hidrológicos devem ser adicionados nos modelos. Foram avaliados o impacto da inclusão do reservatório da zona não saturada e do reservatório lento. Para isso, foram escolhidas duas assinaturas hidrológicas que se relacionassem com os processos: índice de aridez e índice de escoamento de base. Um modelo com apenas um reservatório se mostrou suficiente para se obter uma simulação satisfatória em bacias úmidas com baixo índice de escoamento de base. A adição do reservatório da zona não saturada se mostrou benéfica independentemente do índice de aridez e do índice de escoamento de base da bacia. Já a inclusão do reservatório lento só foi benéfica quando o fluxo era em sua maioria proveniente do escoamento de base. Este resultado mostra que a adição de complexidade, como muitas vezes se pensa, nem sempre traz benefícios ou ajuda a melhor representar os processos nas bacias hidrográficas. Além disso, mais importante que a complexidade dos modelos ? medida pelo número de parâmetros ? é a correta representação dos processos dominantes de cada bacia. Modelos com o mesmo número de parâmetros apresentaram performances muito diferentes. Algumas bacias, independentemente do modelo utilizado, apresentaram resultados inferiores que as demais, principalmente as áridas. Isto indica que os processos e mecanismos que ocorrem nestas bacias ainda não estão sendo bem representados. Foi possível estabelecer um limiar para a capacidade de diferentes modelos na simulação e previsão de vazão para bacias localizadas no Brasil, o que pode servir como uma base para próximos trabalhos de modelagem no país.

Abstract: The use of a large number of basins, as well as the use of multiple hydrological models as hypotheses for the functioning of the basin, can help to better understand catchments. Studies with a large-sample of catchments, however, normally use only one conceptual hydrological model to represent all catchments. In addition, there is no guidance on which model or model structure is best, nor what are the dominant processes and mechanisms for each specific type of catchment. The objective of this work was to analyze the performance of different structures of conceptual hydrological models in catchments located in Brazil. Four different models developed using the SUPERFLEX framework were used. The existence of a correspondence between the model structure and the hydrological characteristics of the catchment was verified through hydrological signatures. The hydrological characteristics that most influenced the performance of the models were related to flow variability. Models in serie were better with the increase in hydrological signatures related to variability. The opposite behavior was found for the models in parallel. For catchments whose river flow is dominated by baseflow, parallel structures were better than those in series. This indicates that the representation of the underground process in the model is related to what actually happens in the catchment. We also analyze when different hydrological processes should be added to the models. The impact of adding the reservoir of the unsaturated zone and the slow reservoir was evaluated. For this, two hydrological signatures were chosen: aridity index and baseflow index. A model with only one reservoir proved to be enough to obtain a satisfactory simulation in wet basins with a low baseflow index. The addition of the reservoir of the unsaturated zone proved to be beneficial regardless of the aridity index and the baseflow index. The inclusion of the slow reservoir was only beneficial when the river flow was dominated by the baseflow. This result shows that the addition of complexity, as is often thought, does not always benefit or help to better represent the processes in the catchments. In addition, more important than the complexity of the models - measured by the number of parameters - is the correct representation of the dominant processes in each catchment. Models with the same number of parameters presented very different performances. Some catchments, regardless of the model used, presented inferior results than the others, mainly the dry ones. This indicates that the processes and mechanisms that occur in these catchments are still not being well represented. It was possible to establish a benchmark for the capacity of different models in the simulation and forecast of river flow for catchments located in Brazil, which can serve as a basis for future modeling works in the country. In future work, further analysis must be made of how or where we can and need to improve the models to understand the impact of different formulations and also to try to understand the human and land use impacts on hydrological processes.