Por: Manoel Gomes
COMO TODO MÉTODO DE PESQUISA, A MODELAGEM UTILIZA UMA ORIENTAÇÃO METODOLÓGICA A SER SEGUIDA.
(HÍDRIA)- O procedimento guia para a construção de modelos consiste numa sequência de etapas que compreendem a obtenção de respostas para quatro perguntas científicas básicas:
- 1ª Pergunta: Qual a questão ?
- 2ª Pergunta: Como resolvê-lo ?
- 3ª Pergunta: Qual é a resposta ?
- 4ª Pergunta: A resposta está correta ?
Essas quatro perguntas devem n os permitir, respectivamente, compreender um problema, estabelecer um plano para a solução do problema, executar o plano, e verificar a adequação da resposta.
As etapas relacionadas com o procedimento guia são as seguintes:
- Objetivos.
- Hipóteses.
- Formulação matemática.
- Verificação.
- Calibragem.
- Análise e avaliação do modelo.
Um esquema geral é apresentado a seguir, algumas etapas são bastante genéricas e podem ser tratadas particularmente por cada modelador, outras são padrão e merecem maior detalhamento.
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Esquema geral de etapas da modelagem. |
Os objetivos e a definição do problema
Partindo de uma situação real, identifica-se o problema a ser estudado, ou seja, o fenômeno observado que se deseja representar matematicamente.
Em seguida obtêm-se os elementos da modelagem necessários para sua solução. Vários são os problemas encontrados nos sistemas ambientais, para os quais um modelo matemático poderia contribuir na geração de hipóteses, ou até mesmo, no comportamento das variáveis de interesse em períodos se observação.
Formulação das hipóteses e simplificação
Consiste em transformar os objetivos e o conhecimento disponível do sistema em enunciados de hipóteses, ou seja, em perguntas a serem respondidas, ou qualitativamente ou quantitativamente.
Nessa etapa, os elementos da modelagem são examinados e selecionados para que preservem as características do problema, ou seja, é feita um a simplificação da realidade e definem-se as funções governantes, os processos, e as variáveis de estado representativas do fenômeno de interesse.
Emprega-se aqui o princípio da parcimônia, que preconiza a representação adequada do comportamento de um processo e/ou sistema por um modelo com o menor número possível de variáveis e/ou parâmetros.
Por exemplo, em estuários, onde a ação das marés governa a hidrodinâmica do sistema e, consequentemente o transporte de poluentes, o efeito do vento poderia ser desprezado ou simplificado; em reservatórios, os processos verticais são mais importantes do que os processos horizontais; e contrário de lagos rasos, onde não há estratificações, os processos horizontais são mais importantes.
Em resumo, é uma fase decisiva para a modelagem, na qual o modelador conceberá o chamado modelo conceitual. Se um modelo matemático é uma representação simplificada da realidade descrita usando fórmulas. Um modelo conceitual é a representação simplificada antes da formulação matemática ser anexada.
Ela é a armação onde a matemática será pendurada, então é importante que esteja certo.
Ele define os limites do problema, incluiu a lista completa de hipóteses e presunções necessárias para traduzir valores de entrada para valores de saída.
O modelo conceitual é o coração do modelo trabalhado, e pode ser produzido sem nenhuma análise quantitativa. Isso faz com que haja colaboração entre cientistas que conhecem o que querem traduzir um números e modeladores que podem traduzir informação em números, mas estão inseguros quanto a natureza das hipóteses.
Dedução do modelo matemático
Nesta etapa, substitui-se a linguagem conceitual em que se encontra o problema por uma linguagem coerente, ou seja, as variáveis de estado e os fluxos são descritos em termos matemáticos. Para cada variável de estado, realiza-se um balanço de fluxo, com o objetivo de representar a continuidade em um intervalo de tempo infinitesimal.
Dessa forma, a equação da continuidade para uma variável de estado A pode ser escrita como:
O diferencial de A em relação a t representa o balanço da variável de interesse em um certo intervalo de tempo ou a variação de seu valor naquele intervalo. Por outro lado, o diferencial tem unidade de fluxo e, dessa forma, o balanço de uma variável de interesse deve ser também, em termos de fluxos.
Vale ressaltar que é da responsabilidade do modelador decidir os fatores que serão incluídos em cada termo para representar melhor um determinado processo pelas equações diferenciais.
Resolução do problema matemático
Nesta fase, com recursos matemáticos e computacionais, procura-se uma solução do problema matemático formulado.
Os métodos matemáticos para solucionar as equações diferenciais podem ser analíticos ou númericos.
Após a resolução das equações, o passo seguinte é a escolha de uma linguagem computacional apropriada para implementar as equações diferenciais do modelo. Diversos softwares disponíveis no mercado tratam desse assunto, tais como Excel, Maple, Matlab, Fortran, C++, Delphi, e turbo Pascal, etc.
A escolha do software matemático está diretamente relacionada à intimidade do modelador com o programa, como também à complexidade do problema a ser resolvido. Alguns programas matemáticos levam vantagens em relação a outros em termos de velocidade de processamento e disponibilidade de funções pré-embutidas neles escritas.
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Programas matemáticos. |
Calibração e validação do modelo
Na calibração analisa-se a aceitação do modelo encontrado verificando-se a adequação das respostas.
Os parâmetros do modelo são ajustados de forma que a saída do modelo se aproxime dos dados observados. A calibração pode ser realizada por tentativa e erro ou pelo uso de algoritmos que calibram automaticamente os parâmetros, utilizando funções objetivas que minimizam a diferença entre valores calculados e observados.
Para validar o modelo, testam-se os parâmetros calibrados em um outro período com dados observados. O modelo calibrado deverá ser usado para produzir as respostas almejadas nos objetivos que foram especificados.
Caso o modelo seja considerado não válido, ou seja, sua solução não foi próxima à realidade, deve-se retornar à formulação de hipóteses e reiniciar o processo.
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Processos de calibração e validação. |
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Métodos matemáticos de ajuste. |
Aplicação do modelo
Caso o modelo seja considerado válido, ele pode ser utilizado em aplicações com objetivos diversos, tais como gerar hipóteses, compreender melhor o problema, explicar o fenômeno, analisar o comportamento das varáveis de estado, fazer previsões e tomar decisões a partir dos resultados observados.





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