A simulação é uma técnica de modelagem utilizada para aproximar o comportamento de um sistema no computador, representando da melhor maneira possível as características desse sistema através do emprego de descrições algébricas ou matemáticas, (Yeh, 1985; Porto e Azevedo, 1997). O primeiro modelo de simulação utilizado em um sistema de reservatórios citado em literatura parece ser o estudo desenvolvido pelo U. S. Army Corps of Engineers em 1953, para a análise operacional de seis reservatórios no rio Missouri, EUA, (Yeh, 1985).
Os modelos descritivos ou de simulação são particularmente atrativos para fornecer as respostas e a performance do sistema de recursos hídricos diante de diversas estratégias operacionais, (Labadie, 1998). Além disso, fornecem a resposta do sistema para diversos dados de entrada fornecidos, incluindo regras de decisão, e permitem ao
decisor examinar as conseqüências de vários cenários de um sistema existente ou de um novo sistema a ser implementado, (Yeh, 1985).
A simulação é diferente das técnicas de programação matemática, que encontram uma decisão ótima para a operação do sistema respeitando restrições enquanto maximizam ou minimizam algum objetivo. Um modelo de programação matemática normalmente necessita de hipóteses na estrutura do modelo e nas restrições do sistema para aplicações práticas, enquanto um modelo de simulação é mais flexível e versátil para simular as respostas do sistema. Por outro lado, a otimização implicitamente analisa todas as alternativas de decisão, enquanto a simulação está limitada a um número finito de alternativas de entrada, (Yeh, 1985).
A maioria dos modelos de simulação adotam alguma série particular de vazões afluentes como representativa de toda a série histórica. Períodos hidrológicos críticos tem sido utilizados com sucesso em projetos e estudos de simulação de reservatórios. O uso de séries geradas sinteticamente é recomendado porque, se diversas seqüências de vazões são utilizadas e cada uma delas tem a mesma probabilidade de ocorrência no período de interesse, é provável que toda a faixa de cenários futuros tenha sido explorada, (Yeh, 1985).
Um modelo de simulação de sistemas de reservatórios reproduz a performance hidrológica e, em alguns casos, a performance econômica do sistema para regras operacionais e vazões afluentes fornecidas. Os modelos são baseados no balanço de massa para reproduzir o caminhamento de água através do sistema de reservatórios, (Wurbs, 1993).
Várias estratégias podem ser adotadas na aplicação de modelos de simulação. Diversas rodadas são feitas para comparar a performance do sistema diante de configurações alternativas de reservatórios, armazenamentos, regras de operação, níveis
de demanda e séries de vazões afluentes. A performance do sistema pode ser avaliada com a simples observação dos níveis de armazenamento, vazões efluentes, energia hidroelétrica gerada, abastecimento de água para demandas e lazer e valores dos parâmetros de qualidade da água, (Wurbs, 1993).
Diversos tipos de análises de armazenamento e descarga podem ser realizados. Os modelos de simulação devem também ter a capacidade de analisar a operação de sistemas de reservatórios utilizando medidas hidrológicas e de performance econômica, como, por exemplo, vazões firmes, confiabilidade, rendimento da geração hidroelétrica, danos causados por enchentes e benefícios econômicos associados a diversas finalidades, (Wurbs, 1993).
Com o surgimento e o rápido desenvolvimento dos computadores, as dificuldades de cálculo que existiam na aplicação de modelos de simulação em recursos hídricos vem sendo superadas. Os modelos de simulação atuais são extremamente flexíveis, detalhados e representam os sistemas em estudo com alto grau de fidelidade, (Roberto e Porto, 1999).
As incertezas associadas ao comportamento das variáveis de entrada e às demandas podem ser levadas em conta de forma implícita com o auxílio da hidrologia estocástica ou técnicas de Monte Carlo de forma geral. Esses modelos podem calcular o valor de uma função objetivo ou índices de performance solicitados pelo usuário e a não linearidade, seja da função objetivo, seja dos processos simulados geralmente não constitui grande problema (Roberto e Porto, 1999). Na Figura 2 é apresentada uma representação esquemática de um modelo de simulação.
Fonte: Porto e Azevedo (1997)
Figura 2. Representação esquemática de um modelo de simulação
Os modelos de simulação são fáceis de entender e, por esta razão, são amplamente aceitos por altos níveis gerenciais, geralmente constituídos por não especialistas e até mesmo por leigos. Por estas razões esta classe de modelos é, com certeza, a mais amplamente utilizada na análise de sistemas de recursos hídricos, (Roberto e Porto, 1999). Entretanto, os modelos de simulação são incapazes de encontrar os valores das variáveis de decisão que otimizem os critérios formulados pelo usuário, o que constitui o ponto fraco da técnica. O usuário que desejar encontrar valores ótimos para as variáveis de decisão utilizando um modelo de simulação é obrigado a recorrer aos chamados métodos de força bruta (processos de tentativa e erro), que se baseiam no processamento repetitivo do modelo, de tal forma a exaurir a faixa de valores possíveis das variáveis de decisão. Mesmo assim não se pode garantir que os valores ótimos tenham sido encontrados, (Roberto e Porto, 1999).
Nos últimos anos a tendência tem sido a de incorporar esquemas de otimização aos modelos de simulação e tem se tornado comum ter algumas rotinas de otimização nos modelos de simulação. Como resultado, a distinção frequentemente feita entre simulação e otimização tende a desaparecer. Sob esse ponto de vista, a simulação é uma ótima ferramenta no estudo da operação de sistemas de recursos hídricos complexos incorporando a experiência e o julgamento do decisor no modelo. É desejável que o modelo de simulação tenha alguma capacidade de otimização para reduzir a quantidade
de cálculos realizada até a obtenção do ótimo ou alguma resposta próxima do ótimo para o sistema de reservatórios.