Aplicação da Modelagem Hidrológica na Gestão dos Recursos Hídricos: Uma Revisão Sistemática

Luttemberg Ferreira Araújo; José Almir  Cirilo; Josielly Braz Silva; Dênia Santos Oliveira

doi:10.26848/rbgf.v17.4.p3084-3098

Authors

Luttemberg Ferreira Araújo Universidade Federal de Pernambuco https://orcid.org/0000-0002-9444-3448
José Almir Cirilo Universidade Federal de Pernambuco https://orcid.org/0000-0002-8672-0898
Josielly Braz Silva Universidade Federal de Pernambuco https://orcid.org/0000-0002-9760-1253
Dênia Santos Oliveira Universidade Federal de Pernambuco https://orcid.org/0000-0001-8504-9572

DOI:

https://doi.org/10.26848/rbgf.v17.4.p3084-3098

Keywords:

PRISMA, Hydrological models, Rainfall-Flow Model, Surface Runoff, Flooding

Abstract

Hydrological modeling is an important support tool for decisions involving the management of water resources and the maintenance of drinking water. Given this, this study develops a systematic review (PRISMA 2020 methodology) highlighting the use of hydrological models and their efficiency in evaluating hydrological characteristics. Through the selection of articles hosted on the digital journal platforms Scopus and Web of Science (WoS), published since 1995, it was possible to evaluate: the practical applications of various hydrological models, the conclusions of the studies, and the efficiency and limitations for arid, semi-arid, humid and semi-humid river basins, located in different regions of the world. 28 publications were evaluated, most of which addressed river basins located in China. However, the vast majority of hydrological models require an extensive amount of data for their deficiency and validation, which limits some studies due to the lack of reliable data to support the interpretation of events and prediction of future occurrences. The models that were most applied in research throughout the review were: HEC-HMS, TOPMODEL and, mainly, Xinanjiang. Furthermore, CAWM IV stands out for being a model that addresses unique modeling with a reduced amount of input data, compared to other models, demonstrating efficiency in modeling river basins located in dry regions, and with application potential in humid areas, enabling broad applications in the interpretation of hydrological issues and in the management of water resources.

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Author Biographies

Luttemberg Ferreira Araújo, Universidade Federal de Pernambuco

Doutorando no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Pernambuco, na área de Recursos Hídricos. Mestre no Programa de Pós graduação em Engenharia Civil e Ambiental pela Universidade Federal de Pernambuco, com atuação na área de meio ambiente com foco no desenvolvimento do semiárido. Graduado no curso de Engenharia Civil pela Universidade Federal de Pernambuco. Atuou neste período nas áreas de meio ambiente com foco no uso de tecnologias sociais na convivência com semiárido e com foco para gestão e recuperação de áreas degradadas no alto trecho da bacia do Pajeú-Pernambuco. Possui experiência na área de Engenharia Civil, com ênfase projetos em Engenharia Civil, atuando principalmente na elaboração de projetos de instalações prediais de água fria e quente, projetos de esgotamento sanitário, projetos de esgotamento pluvial e projetos elétricos de baixa tensão.

José Almir Cirilo, Universidade Federal de Pernambuco

É graduado em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Pernambuco (1977), com Mestrado em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1979) e doutorado em Engenharia Civil pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1991). Atualmente é Professor Titular da Universidade Federal de Pernambuco, Campus Acadêmico do Agreste e permanece na orientação de Mestrado e Doutorado do Campus Recife. Tem coordenado diversos projetos financiados pelo CNPq, CAPES e instituições internacionais. Exerceu as seguintes funções de gestão nas áreas de recursos hídricos, meio ambiente e ciência e tecnologia no Governo de Pernambuco: Secretário Executivo de Recursos Hídricos da Secretaria de Desenvolvimento Econômico (2015-2016); Secretário Executivo de Coordenação Geral da Secretaria de Infraestrutura (2014); Secretário de Recursos Hídricos e Energéticos (2012/2013); Secretário Executivo de Recursos Hídricos (2007/2011);Diretor de Recursos Hídricos e Secretário Adjunto de Ciência, Tecnologia e Meio Ambiente (1995-1998). Secretário Executivo (1998, 2007-2011; 2014-2016) e Presidente (2012-2013) do Conselho de Recursos Hídricos Participou do CTHIDRO-Comitê Gestor do Fundo de Recursos Hídricos do Ministério de Ciência e Tecnologia, primeiro como representante da comunidade científica (2001-2004) e depois como Presidente do Comitê Gestor (2005-2010). Coordena diversos projetos de pesquisa e cooperação técnica Universidade/Empresa/Instituições de gestão pública. É Ex-Presidente da ABRH - Associação Brasileira de Recursos Hídricos, da qual hoje é conselheiro. Foi membro da diretoria do comitê da bacia do rio São Francisco, representando até 2006 a comunidade científica, e posteriormente o Governo de Pernambuco (2007 a 2016). Foi membro titular do Conselho Nacional de Recursos Hídricos em 2001. Sua experiência é voltada à Engenharia Civil, atuando principalmente nas seguintes áreas: Hidrologia, Hidráulica Fluvial, Macrodrenagem, Geoprocessamento, Gestão de Recursos Hídricos, Otimização e Sistemas de Suporte à Decisão. É comendador da Ordem Nacional do Mérito Científico e da Sociedade Brasileira de Cartografia. É membro da Academia Pernambucana de Engenharia e da Academia Pernambucana de Ciências. Em 2023 ocupa o cargo de Secretário de Recursos Hídricos e Saneamento de Pernambuco.

Josielly Braz Silva, Universidade Federal de Pernambuco

Mestra em Engenharia Civil e Ambiental, possui graduação em Engenharia Civil pela Universidade Federal de Pernambuco - UFPE, Centro Acadêmico do Agreste, e Mestrado em Engenharia Civil e Ambiental também pela UFPE-CAA, desenvolve pesquisa com ênfase em uso do biochar para o melhoramento da capacidade adsortiva de solos aluvionares na região do Alto Capibaribe, no semiárido pernambucano, com uso de modelagem numérica de dados cinéticos e isotérmicos, e simulações de fluxo e capacidade de retenção através dos ensaios em colunas de solo e ajuste numérico no software STANMOD.

Dênia Santos Oliveira, Universidade Federal de Pernambuco

Graduada em Engenharia Civil pelo Centro Universitário do Vale do Ipojuca - UNIFAVIP (2017), Mestre pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil e Ambiental (PPGECAM) da Universidade Federal de Pernambuco, Campus Acadêmico do Agreste, (2023). Buscando aprimorar minha formação, obtive pós-graduação em Docência e Gestão do Ensino Superior, bem como em Saneamento, ambas pela Faculdade de Minas, em 2024. Ao longo da minha trajetória profissional, atuei como Projetista na área de Saneamento, especializando-me em Água e Esgoto. Atualmente, desempenho a função de gerente de projetos de saneamento na Secretaria de Recursos Hídricos e Saneamento do Estado de Pernambuco

References

Abdivaitov, K., Muratov, S., Altiyev, A., Abdivaitova, S., Norkulov, M., & Khalilova, B. (2021). An overview of land fund categories distribution in Surkhandarya, Uzbekistan. E3S Web of Conferences, 25, 01004. Disponível: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202125201004. Acesso: 15 fev. 2024.

Ahirwar, A., Jain, M. K., & Perumal, M. (2018). Performance of the Xinanjiang model. In Hydrologic Modeling: Select Proceedings of ICWEES-2016 (pp. 715–731). Springer Singapore.

Ahmadi, M., Moeini, A., Ahmadi, H., Motamedvaziri, B., & Zehtabiyan, G. R. (2019). Comparison of the performance of SWAT, IHACRES and artificial neural networks models in rainfall-runoff simulation (case study: Kan watershed, Iran). Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 111, 65–77. Disponível:https://doi.org/10.1016/j.pce.2019.04.002. Acesso: 19 fev. 2024.

Alves, R., Rudke, A. P., Martins, J. A., & Santos, M. M. (2023). Abordagens baseada na natureza para gestão sustentável de águas pluviais em ambientes urbanos: Uma análise bibliométrica. Geographia Opportuno Tempore, 9(2), e48786. Disponível: https://doi.org/10.5935/2237-4367.20230009. Acesso: 04 fev. 2024.

Bâ, K. M., Díaz, C., Llamas, J., & Llanos, H. (1995). Zonas semiáridas y su modelación hidrológica (lluvia-escurrimiento). Tecnología y Ciencias del Agua, 10(2), 21–31. Disponível: https://doi.org/10.1016/0187-5509(95)80003-X. Acesso: 23 jan.2024.

Bouadila, A., Bouizrou, I., Aqnoy, M., En-Nagre, K., El Yousfi, Y., Khafouri, A., Abiou, M. (2023). Streamflow simulation in semiarid data-scarce regions: A comparative study of distributed and lumped models at Aguenza Watershed (Morocco). Water, 15(8), 1602. Disponível: https://doi.org/10.3390/w15081602. Acesso: 26 jan.2024.

Cirilo, J. A., Verçosa, L. F. D. M., Gomes, M. M. D. A., Feitoza, M. A. B., Ferraz, G. D. F., & Silva, B. D. M. (2020). Development and application of a rainfall-runoff model for semi-arid regions. RBRH, 25. Disponível: https://doi.org/10.1590/2318-0331.2520200060. Acesso: 16 fev. 2024.

Derdour, A., Bouanani, A., & Babahamed, K. (2018). Modelling rainfall runoff relations using HEC-HMS in a semi-arid region: Case study in Ain Sefra watershed, Ksour Mountains (SW Algeria). Journal of Water and Land Developmen, 36, 45–55. Disponível: https://doi.org/10.2478/jwld-2018-0005. Acesso: 16 fev. 2024.

Ghavidehfar, S., Alvankar, S. R., & Razmkah, A. (2011). Comparison of the lumped and quasi-distributed Clark runoff models in simulating flood hydrographs on a semi-arid watershed. Water Resources Management, 25, 1775–1790. Disponível: https://doi.org/10.1007/s11269-010-9784-7. Acesso: 30 fev. 2024.

Guyasa, A. K., Guan, Y., & Zhang, D. (2024). Impact of climate change on the water balance of the Akaki Catchment. Water, 16(1), 54. Disponível: https://doi.org/10.3390/w16010054. Acesso: 02 jan. 2024.

Haddad, A. (2022). Extreme rainfall-runoff events modeling using HEC-HMS model for Oued El Hachem watershed, Northern Algeria. Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics, 69(1), 45–57. Disponível: https://doi.org/10.2478/ahem-2022-0005. Acesso: 02 fev. 2024.

Hu, C. H., & Guo, S. L. (2005). Inter-comparison of watershed hydrological models based on the storage curve of watershed. In The Proceedings of the Second International Yellow River Forum (Vol. 3, pp. 297–308).

Hu, C., Guo, S., Xiong, L., & Peng, D. (2005). A modified Xinanjiang model and its application in northern China. Hydrology Research, 36(2), 175–192. Disponível: https://doi.org/10.2166/nh.2005.0030. Acesso: 30 fev. 2024.

Huang, P., Li, Z., Yao, C., Hu, C., & Zhang, J. (2013). Application and comparison of hydrological models for semi-arid and semi-humid regions. Journal of Hydroelectric Engineering, 4, 4–9. Disponível: https://doi.org/10.1051/jhe/201304010. Acesso: 06 jan. 2024.

Kan, G., He, X., Ding, L., Li, J., Liang, K., & Hong, Y. (2017). Study on applicability of conceptual hydrological models for flood forecasting in humid, semi-humid, semi-arid and arid basins in China.Water, 9(10), 719. Disponível: https://doi.org/10.3390/w9100719. Acesso: 10 fev. 2024.

Laassilia, O., Saghiry, S., Ouazar, D., Bouziane, A., & Hasnaoui, M. D. (2022). Flood forecasting with a dam watershed event-based hydrological model in a semi-arid context: Case study in Morocco. Water Practice & Technology, 17(4), 817–834. Disponível: https://doi.org/10.2166/wpt.2022.084. Acesso: 06 Fev. 2024.

Liberati, A., Altman, D. G., Tetzlaff, J., Mulrow, C., Gøtzsche, P. C., Ioannidis, J. P. A., Clarke, M., Devereaux, P. J., Kleijnen, J., & Moher, D. (2009). The PRISMA statement for reporting systematic reviews and meta-analyses of studies that evaluate health care interventions: Explanation and elaboration. PLoS Medicine, 6(7), e1000100. Disponível: https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1000100. Acesso: 16 jan. 2024.

Lü, H., Hou, T., Horton, R., Zhu, Y., Chen, X., Jia, Y., … Fu, X. (2013). The streamflow estimation using the Xinanjiang rainfall runoff model and dual state-parameter estimation method. Journal of Hydrology, 480, 102–114. Disponível: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2012.12.020. Acesso: 20 jan. 2024.

Maref, N., & Seddini, A. (2018). Modeling of flood generation in semi-arid catchment using a spatially distributed model: Case of study Wadi Mekerra catchment (Northwest Algeria). Arabian Journal of Geosciences, 11(1), 1–15. Disponível: https://doi.org/10.1007/s12517-017-3355-3. Acesso: 04 fev. 2024.

Mathias, D. T., Lupinacci, C. M., & Nunes, J. O. R. (2022). Identificação dos fluxos de escoamento superficial em área de relevo tecnogênico a partir do uso de modelos hidrológicos em SIG. Sociedade & Natureza, 32, 772–783. Disponível: https://doi.org/10.1590/1982-451320220321. Acesso: 06 fev. 2024.

Nakagawa, Y. (2020). Taking a future generation’s perspective as a facilitator of insight problem-solving: Sustainable water supply management. Sustainability, 12(3), 1000. Disponível: https://doi.org/10.3390/su12031000. Acesso: 06 jan. 2024.

Nyssen, J., Clymans, W., Descheemaeker, K., Poesen, J., Vandecasteele, I., Vanmaercke, M., Zenebe, A., Van Camp, M., Haile, M., Haregeweyn, N., Moeyersons, J., Martens, K., Gebreyohannes, T., Deckers, J., & Walraevens, K. (2010). Impact of soil and water conservation measures on catchment hydrological response—a case in north Ethiopia. Hydrological Processes, 24(13), 1880–1895. Disponível: https://doi.org/10.1002/hyp.7514. Acesso: 18 jan. 2024.

Ogilvie, A., Belaud, G., Massuel, S., Mulligan, M., Le Goulven, P., Malaterre, P. O., & Calvez, R. (2018). Combining.

Landsat observations with hydrological modelling for improved surface water monitoring of small lakes. Journal of Hydrology, 566, 109–121. Disponível: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.09.024. Acesso: 16 fev. 2024.

Page, M. J., McKenzie, J. E., & Bossuyt, P. M. (2021). Updating guidance for reporting systematic reviews: Development of the PRISMA 2020 statement. Journal of Clinical Epidemiology, 134, S0895-4356(21)00040-8. Disponível: https://doi.org/10.1016/j.jclinepi.2021.01.003. Acesso: 08 fev.2024.

Portoghese, I., Totaro, V., Panciera, C., & Iacobellis, V. (2022). Calibration of a large-scale water balance model in a semi-arid ungauged catchment of Southern Italy. Proceedings of the IAHR World Congress.

Prasad, A. D., Singh, N., Ganasala, P., & Shekhar, S. (2023). Morphometric analysis of natural landscapes of Northern Maharashtra using geomatics techniques, Western Ghats, India. Water and Energy International, 65r(10), 11–24. Disponível: https://doi.org/10.1177/9781119691202. Acesso: 20 jan. 2024.

Qi, W., Feng, L., Yang, H., Liu, J., Zheng, Y., Shi, H., Wang, L., & Chen, D. (2022). Economic growth dominates rising potential flood risk in the Yangtze River and benefits of raising dikes from 1991 to 2015. Environmental Research Letters, 17(3), 034046. Disponível: https://doi.org/10.1088/1748-9326/ac5e2f. Acesso: 22 jan.2024.

Ren, L., Wang, G., Lu, F., & Fang, T. F. (2009). A comparative study of simulation results between IHMS-VSWSC and hybrid runoff model in Dianzi watershed. In Hydrological modelling and integrated water resources management in ungauged mountainous watersheds: Proceedings of a symposium held at Chengdu, China, November 2008 (pp. 72–79). IAHS Press.

Ricci, R. M. P., & Medeiros, R. (2012). Contribuições para a gestão da Lagoa Rodrigo de Freitas/RJ sob a óptica das políticas de gestão dos recursos hídricos. Oecologia Australis, 16(3), 694–720. Disponível: https://doi.org/10.4257/oeco.2012.1603.08. Acesso: 16 jan. 2024.

Ringeltaube, J., Van Lanen, H., & Demuth, S. (2002). The European water framework directive—An example for water management in national and international river basins. In FRIEND 2002—Regional Hydrology: Bridging the Gap between Research and Practice: Fourth International Conference on FRIEND (pp. 19–25). IAHS Press.

Sezen, C., & Partal, T. (2022). The utilisation of conceptual and data-driven models for hydrological modelling in semi-arid and humid areas of the Antalya basin in Turkey.Acta Geophysica, 70(2), 897–915. Disponível: https://doi.org/10.1007/s11600-021-00795-5. Acesso: 18 jan. 2024.

Shamseer, L., Moher, D., Clarke, M., Ghersi, D., Liberati, A., Petticrew, M., Shekelle, P., Stewart, L., & Grupo PRISMA-P. (2015). Preferred reporting items for systematic review and meta-analysis protocols (PRISMA-P) 2015 statement. Systematic Reviews, 4(1), 1. Disponível: https://doi.org/10.1186/2046-4053-4-1. Acesso: 01 fev.2024.

Sun, L., Li, Z., Zhang, K., & Jiang, T. (2021). Impacts of precipitation and topographic conditions on the model simulation in the north of China. Water Supply, 21(3), 1025–1035. Disponível: https://doi.org/10.2166/ws.2021.042. Acesso: 02 fev. 2024.

Terzi, O., & Dündar, C. (2020). Qualitative evaluation of theses about drinking water in our country in the last 10 years. Turk Hijyen ve Deneysel Biyoloji Dergisi, 77, 211–218. Disponível: https://doi.org/10.5505/tyd.2020.020. Acesso: 06 fev. 2024.

Tsani, S., Koundouri, P., & Akinsete, E. (2020). Resource management and sustainable development: A review of the European water policies in accordance with the United Nations’ Sustainable Development Goals. Environmental Science and Policy, 114, 570–579. Disponível: https://doi.org/10.1016/j.envsci.2020.08.010. Acesso: 06 fev. 2024.

Wang, X., Song, X., Xue, Y., Li, P., Bai, L., You, B., … Li, Q. (2009). Application and comparison of different grid-based hydrological models in the Laoha River basin. In International Symposium on Spatial Analysis, Spatial-Temporal Data Modeling, and Data Mining (pp. 1561–1568). SPIE.

Xiong, L., & Guo, S. (2004). Effects of the catchment runoff coefficient on the performance of TOPMODEL in rainfall–runoff modelling. Hydrological Processes, 18(10), 1823–1836. Disponível:

https://doi.org/10.1002/hyp.1466. Acesso: 30 jan. 2024.

Xu, J., Liu, W., Zheng, Z., Zhang, W., & Ning, L. (2010). A new hybrid hydrologic model of XXT and artificial neural network for large-scale daily runoff modeling. In 2010 International Conference on Display and Photonics (pp. 155–160). SPIE.

Xu, J., Zhang, Q., Liu, S., Zhang, S., Jin, S., Li, D., Wu, X., Liu, X., Li, T., & Li, H. (2020). Ensemble learning of daily river discharge modeling for two watersheds with different climates. Atmospheric Science Letters, 21(11), e1000. Disponível: https://doi.org/10.1002/asl.1000.

Xu, Z. Z. (2005). Intercomparison of watershed hydrological models based on the storage curve of watershed. In Proceedings of the 2nd International Yellow River Forum on Keeping Healthy Life of the River.

Yaghoubi, M., & Massah, B. A. R. (2014). Sensitivity analysis and comparison of capability of three conceptual models HEC-HMS, HBV and IHACRES in simulating continuous rainfall-runoff in semi-arid basins. Journal of the Earth and Space Physics, 40(1), 91–103.

Yuhuan, L. I. U., Zhijia, L. I., & Zhiyu, L. I. U. (2020). Spatial combination model for semi-humid and semi-arid watersheds. Lake Science, 32(3), 826–839. https://doi.org/10.18307/2020.032.015

Zhang, X., Li, Z., & Dong, X. (2007). Application of three hydrological models in a semi-arid region and analysis of model uncertainty. IAHS-AISH Publication, 144–150.

Zhang, X., & Lindström, G. (1996). A comparative study of a Swedish and a Chinese hydrological model. JAWRA Journal of the American Water Resources Association, 32(5), 985–994. Disponível: https://doi.org/10.1111/j.1752-1688.1996.tb05462.x. Acesso: 15 fev. 2024.