Tipus de Models Hidrològics

Clàssicament han estat utilitzats els anomenats models globals o agregats, que tracten la conca com si fos una sola entitat amb una única entrada de pluja (pluja mitjana), i el cabal de sortida es reprodueix a partir d'una dinàmica global del sistema. Existeixen multitud de models globals, generalment basats en el concepte de l'hidrograma unitari HU, que es pot integrar dins de la teoria de sistemes que assumeix que la conca és un sistema lineal, causatiu i invariant en el temps (Figura 1), on només una part de pluja efectiva produeix escolament, afectada pels processos d'evaporació, retenció i infiltració que es recullen dins de la funció de pèrdues o funció de producció.

 

esquema_classic_peq

Figura 1: Esquema general de les parts d'un model hidrològic clàssic de tipus agregat amb hidrograma unitari.


Aquesta modelització té poca base física, ja que obvia el fet de que part de l'escolament superficial pot infiltrar en passar per una llera permeable, i subestima la component subsuperficial del cabal. A més a més, la identificació de l'HU no és senzilla. A partir d'informació hidrològica disponible de la conca (moltes dades de pluja i cabal), l'HU es pot derivar de la solució del problema invers, per a aquestes dades no sempre estan disponibles amb la suficient quantitat i qualitat, i a més a més arrosseguen la descripció espacial limitada de la pluja. En l'intent d'evitar aquest problema, ha tingut lloc la conceptualització de la conca en sistemes més senzills de manera que es pugui derivar un hidrograma unitari que depengui de pocs paràmetres, els quals poden ser estimats per tècniques estadístiques; aquests són els anomenats models agregats conceptuals. Un pas endavant en aquest sentit han estat els esforços en lligar els paràmetres de l'HU conceptual amb relacions geomorfològiques i que han donat lloc a l'aparició de l'Hidrograma Unitari Geomorfològic a partir de les característiques físiques de la conca, sense necessitat de tenir dades hidrològiques.

En un intent de representar els processos amb una base física més gran, als anys 60 van aparèixer uns models que podríem anomenar models agregats amb base física. Aquests consisteixen en una successió d'elements conceptuals interconnectats que representen la resposta de diferents subsistemes del cicle hidrològic (evaporació, escolament en medi saturat, escolament superficial en canal), per què, tot i que el nombre de paràmetres involucrats és molt gran, la descripció és encara massa simplificada fent que no existeixi massa diferència entre aquest tipus de models i els models conceptuals agregats.

A partir dels anys 70 van fer aparició un tipus de models amb un plantejament totalment diferent als de base física. Aquests models extrauen la informació que hi ha entre les entrades i les sortides del sistema, i l'estructura del model s'adapta a aquests dades. Per aquest motiu aquest tipus s'anomenen models de caixa negra. Els primers van ser els models autoregressius basats en l'anàlisi de sèries temporals. Actualment existeix una línia de treball basada en els models de xarxes neuronals artificials, amb la possibilitat d'aprenentatge a mesura que hi ha major nombre de dades permetent la introducció de múltiples entrades (pluja, temperatura, humitat, dades històriques de cabal).Tot i que han existit casos amb bons resultats, sembla que encara queda un llarg camí per veure la capacitat d'aquest tipus de models.

Encara, no estan clars els criteris en què es pot basar la construcció de l'estructura del model, la qual cosa dificulta la utilització del model en altres conques sense dades i la regionalització dels paràmetres. Ara bé, la tecnologia actual permet conèixer exhaustivament certes variables amb una bona resolució espacial, tenint la possibilitat de tractar molta informació en un temps reduït i de manera operativa.

Així fa pensar que un model que miri d'incorporar la distribució espacial de les variables, podrà oferir millors resultats que un de global. Els anomenats models distribuïts incorporen més acuradament la variabilitat espacial de les diferents variables i reprodueixen més fidelment els processos que tenen lloc dins la conca. Els models distribuïts amb base física descriuen amb gran detall els processos hidrològics de la conca, proposant la descripció dels fenòmens a escala fina (100-500m), on es plantegen les equacions característiques dels diferents processos i integrant les sortides dels diferents processos de cada cel.la amb les veïnes. Així deriva en models molt complexos que requereixen una gran quantitat d'informació, i almenys fins al moment, la calibració d'un nombre enorme de paràmetres en cas de no poder estimar totes les variables a partir de mesures de camp.

Les possibilitats actuals ofereixen una línia a mig camí entre els dos extrems. Els anomenats models de paràmetres distribuïts, que es caracteritzen per la divisió de la conca en subunitats menors més homogènies, on s'aplica un model global. La resposta global de la conca es composa a partir de les contribucions de les diferents subunitats. Una primera classificació, en aquest tipus de models es podria fer per la manera de fer la divisió en subunitats (Figura 2), que pot ser en subconques o en subunitats artificials seguint algun criteri establert. El fet que a cada subunitat s'apliqui un model global fa que aquest tipus de models s'anomenin models distribuïts (però) conceptualment globals. Però la modelització hidrològica distribuïda és un camp d'estudi en ple desenvolupament a tot el món, i existeixen moltes variants, folosifies i escoles. Per example, una variant dels models distribuïts, és la que intenta formular una integració entre les subunitats de manera que quedi representada la espacialitat de les variables de manera senzilla, entre les quals destaca la concepció de TopModel.

model_peq

Figura 2: Esquema de divisió d'una conca i de conceptualització de la xarxa de drenatge: en subconques (esquerra); i en subunitats artificials (dreta). L'exemple està basat en la conca del Besós.


El text anterior va ser extret del projecte de Tesi de l'Enginyer Carles Corral, titulat: Desenvolupament d'un model hidrològic per incorporar la informació del radar meteorològic. Aplicació operacional en conques mediterrànies: la conca del riu Besós. Dintre del programa de doctorat d'Enginyeria Civil, de la Universitat Politècnica de Catalunya.