introdução à gestão ambiental e aos modelos hidrológicos

Introdução à gestão ambiental e Introdução à gestão ambiental e aos modelos hidrológicosaos modelos hidrológicos

Carlos Ruberto Fragoso Júnior

Desenvolvimento SustentávelDesenvolvimento Sustentável

Suprir a geração atual sem comprometer a futura

Depende de ações sustentáveis através de um planejamento integrado;

Sugere mecanismos de gestão que visem minimizar o uso e degradação dos recursos naturais sem comprometer o desenvolvimento.

Ecossistemas AquáticosEcossistemas Aquáticos

• Importância sócio-econômica-ambiental

• Grande diversidade e produtividade biológica

• Fragilidade às agressões antrópicas, promovendo profundas modificações...

Distúrbios nos ecossistemasDistúrbios nos ecossistemas

Diversos registros nos últimos 200 anos (a maioria relacionado a eutrofização)!!!

Alterações nos fatores condicionantes afetam o estado atual de um sistema;

Distúrbios nos ecossistemasDistúrbios nos ecossistemas

Mudanças catastróficas!!!Mudanças catastróficas!!!

http://www.imdb.com/gallery/ss/0319262/DAT46MD1.jpg.html?seq=2

Oscilação entre estados

alternativos estáveis:

Estados AlternativosEstados Alternativos

Outros fatores condicionantesOutros fatores condicionantes

• Biomanipulação (biológica)

• Pesca (social)

• Pisciculturas (social)

• Mudanças climáticas (climatológica)

• Barragens (física)

• ....

Importante!!!Importante!!!

Toda interferência externa deve ser cuidadosamente investigada no intuito de prevenir mudanças indesejáveis dos padrões naturais do regime hidrológico (quantidade e qualidade da água).

Gestão AmbientalGestão Ambiental

A gestão ambiental é uma prática muito recente, que vem ganhando espaço nas instituições públicas e privadas. Através dela é possível a mobilização das organizações para se adequar à promoção de um meio ambiente ecologicamente equilibrado.


Os princípios e objetivos desta política seriam:

1. Identificação e avaliação dos problemas ambientais;

2. Formulação de cenários de evolução;

3. Definição de prioridades e metas;

4. Medidas e instrumentos de política;

5. Implementação e controle.

Complexidade dos EcossistemasComplexidade dos EcossistemasProcessos físicos:Processos físicos:- precipitação- precipitação- evaporação- evaporação- evapotranspiração- evapotranspiração- infiltração- infiltração- percolação- percolação- escoamento superficial- escoamento superficial- escoamento subterrâneo- escoamento subterrâneo

Processos abióticos:Processos abióticos:- resuspensão- resuspensão- sedimentação- sedimentação- mineralização- mineralização- nitrificação- nitrificação- denitrificação- denitrificação- adsorção- adsorção- reaeração- reaeração

Complexidade dos EcossistemasComplexidade dos Ecossistemas

Processos bióticos:Processos bióticos:- fotossíntese- fotossíntese- assimilação- assimilação- produção- produção- respiração- respiração- mortalidade- mortalidade- predação- predação- decomposição- decomposição

Complexidade dos EcossistemasComplexidade dos Ecossistemas

Como quantificar?Como quantificar?

Modelos matemáticos

Como lidar com tanta complexidade?Como lidar com tanta complexidade?

Como avaliar impactos ambientais?Como avaliar impactos ambientais?

QuestõesQuestões

O que são Modelos?O que são Modelos?

http://www.hanah.arq.br/zmaquete11.htm

O que são Modelos?O que são Modelos?

ModelosModelos

Modelo é uma representação simplificada de algum objeto ou sistema, numa linguagem de fácil acesso e uso

Desenvolvido com o objetivo de entender o sistema e de prever as respostas do sistema em diferentes circunstâncias

SistemaQualquer estrutura, esquema ou procedimento, real ou abstrato, que em um dado tempo de referência se interrelaciona com uma entrada e uma saída.

Representacão SIMPLIFICADA do comportamento do sistema.

Modelo

SISTEMAENTRADAS

SAÍDAS

Modelos mais utilizados: Modelos matemáticos

Sistemas x ModelosSistemas x Modelos

Modelos MatemáticosModelos Matemáticos

Representação matemática dos processos ambientais em sistemas hídricos

• Sistemas artificiais• controle do homem• variáveis controladas• saídas são mais previsíveis• Exemplos: circuitos elétricos, edifícios

• Sistemas naturais• Não foram dimensionados pelo homem• Processos físicos nem sempre completamente entendidos• Saídas mais imprevisíveis• Observar comportamento para diminuir ignorância• Exemplos: bacias hidrográficas, estuários

SistemasSistemas

Questões intrigantes!Questões intrigantes!

Se é possível medir as variáveis de interesse em meu sistema por que necessito de um modelo?

Se eu disponho de um modelo por que necessito medir as variáveis de interesse?

Um modelo é uma representacão simplificada de algum objeto ou sistema desenvolvido com o objetivo de entendê-lo e buscar suas respostas para diferentes entradas.

O modelo deve ser visto como uma ferramenta e não como um objetivo.

Nenhum modelo cria informação !!

Modelos - PrincípiosModelos - Princípios

Extender séries de vazões observadas no espaço e no tempo;

avaliar estratégias operacionais;

Prever a resposta da bacia antes de modificações (estruturais e não estruturais);

calcular eventos extremos (cheias);

Avaliar a qualidade da água

Previsão de vazões;

Uso de modelos hidrológicosUso de modelos hidrológicos

• Hidrologia do início do século(?) até a década de 60:

• Conceitos, experimentos• Equações fundamentais (Darcy, Saint Venant)• Experimentos de Horton• Evapotranspiração• Ler Coletânea de papers Streamflow Generation

Processes

Questões históricasQuestões históricas

Histórico de desenvolvimentoHistórico de desenvolvimento1925-1960 (Streeter-Phelps)Problemas: efluentes primários e não tratados

Poluentes: DBO/OD

Sistema: rios e estuários (1D)

Cinéticas: linear

Soluções: analíticas

1960-1970 (computacional)Problemas: efluentes primários e não tratados

Poluentes: DBO/OD

Sistema: rios e estuários (1D / 2D)

Cinéticas: linear

Soluções: analíticas e numéricas

DBO OD

Reaeração

P R ODsed

Histórico de desenvolvimentoHistórico de desenvolvimento

1970-1977 (Biologia)Problemas: eutrofização

Poluentes: nutrientes

Sistema: rios, lagos e estuários (1D / 2D / 3D)

Cinéticas: não-linear

Soluções: numéricas

1977- hoje (Tóxicos)Problemas: tóxicos

Poluentes: orgânicos e metais

Sistema: interações água-sedimento

Interações da cadeia alimentar (1D / 2D / 3D)

Cinéticas: não-linear

Soluções: numéricas e analíticas

Peixes

Zoo

Fito

NO3 NH3 Norg

PO4 Porg

Sólidos

Sólidos Águaintersticial

Bentos

Tóxicos Biota

água

sedimento

• Na década de 90, os avanços de modelos distribuídos na escala da bacia hidrográfica (meso escala) mostrou avanços importantes principalmente através: do uso do geoprocessamento que permitiu a identificação espacial das variáveis de entrada e de atributos físicos das bacias, também utilizada nos citados modelos no parágrafo anterior; uso de incerteza na estimativa de parâmetros mas sensíveis;

Impulso de Sensoriamento Remoto e SIGImpulso de Sensoriamento Remoto e SIG

• Conceitualmente o desafio sempre foi muito grande devido a vários fatores como os seguintes: – como representar um processo que observamos a nível pontual,

para uma escala espacial de milhares de quilômetros quadrados?

– como representar a irregularidade da natureza na forma de variáveis e parâmetros que representem de forma adequada os principais processos quantitativos e qualitativos?

– como diminuir a incerteza das estimativas das variáveis hidrológicas e dos parâmetros de vários sub-modelos, quando existem apenas a variável observada de entrada (precipitação e evapotranspiração) e de saída (vazão ou nível) de uma bacia?

– como amostrar elementos da bacia que permita avaliar o comportamento hidrológico a partir de visita ao campo (como outras ciências fazem)?

Desafios no desenvolvimento de modelos Desafios no desenvolvimento de modelos chuva-vazãochuva-vazão

• Ainda os computadores:• Processamento paralelo• Interação com SIG• Usuário (interface)• Sistemas de Suporte à Decisão• Ciclos biogeoquímicos• Organismos Aquáticos

Presente - FuturoPresente - Futuro

• Até segunda que vem...

Elementos da ModelagemElementos da Modelagem

Funções governantes ou

Variáveis externasProcessos

Parâmetros

Parâmetros

Fenômeno de interesse

Etapas da ModelagemEtapas da ModelagemDefinição do problema

Simplificação e formulação de hipótese

Dedução do modelo

Resolução do problema

Calibração e validação

Aplicação do modelo

Etapas da ModelagemEtapas da Modelagem

Problemas em Limnologia

Biomanipulação

Interações tróficas

Estadosalternativos

Usos da águaPesca predatória

Piscicultura

Floração decianobactérias

Eutrofização



Dedução do modelo





Quais são as

variáveis?Quais são

as hipóteses

?Quais são

os processos?

Essa é a minha

proposta!!!

Simplificações e formulação de hipóteses Simplificações e formulação de hipóteses

Etapas da ModelagemEtapas da ModelagemSimplificações e formulação de hipóteses Simplificações e formulação de hipóteses


Produção

Luz Temperatura Nutrientes

Taxa constante

Nk

N

NN

20TTmaxT G

Hk

eef781,2

e

21

L

NTLP NTP TP tetanconsP


Nº de parâmetros

ComplexidadeAproximação

Nº ótimo de parâmetros



Dedução do modelo




Modelos Qualidade Água e Hidrodinâmica

Derivado aplicação Leias de Conservação

Propriedades conservativas intrínsecas internasmomentum, calor energia, massa água, massa contaminantes

Prediz:Mudanças em propriedades conservativas;Mudanças estado sistema resulta de mudanças em uma ou mais propriedades intrínsecas.

Conservação de EnergiaBalanço Calor e EvaporaçãoRelações de mistura

Conservação de MassaMassa água na hidrodinâmica e transporteMassa materiais dissolvidos ou suspensos na

águaBalanço massa expandido para incluir

mudanças cinéticas

Conservação de MomentoÁgua: movimentoÁgua: Fluxo

Acumulação Líquida = Transporte Fonte/Sumidouro (transformações)

Fluxo Propriedades Conservativas devido movimento água (advecção,

mistura turbulenta, difusão)

Funções Forçantes

As Leis da Natureza!!As Leis da Natureza!!

Etapas da ModelagemEtapas da ModelagemDedução do modelo matemático Dedução do modelo matemático

consumoproduçãohA

AZg

K

A1rA

dt

dA

az

emortalidadocrescimentZmhA

AZge

dt

dZz

azz

Modelo conceitual Modelo conceitual

Etapas da ModelagemEtapas da ModelagemDedução do modelo matemático Dedução do modelo matemático

Parâmetro Descrição Valor Unidade

R Taxa de crescimento do fitoplâncton 0,5 dia-1

K Capacidade máxima de biomassa algal 10 mg.l-1

gz Taxa de consumo algal pelo zooplâncton 0,6 dia-1

Há Coeficiente de meia-saturação para o consumo de algas 0,4 mg.l-1

ez Eficiência de conversão de biomassa algal para zooplanctônica 0,6 -

mz Taxa de mortalidade do zooplâncton 0,15 dia-1



Dedução do modelo




Etapas da ModelagemEtapas da ModelagemResolução do problemaResolução do problema

Solução das equações diferenciais através de um método numérico:Solução das equações diferenciais através de um método numérico:

Métodosanalíticos Métodos

numéricos

EulerDiferenças

finitasElementos

Finitos

Elementosde contorno

Runge-Kutta

Método dosCoeficientes

Não-determinados

Transformadasde

Laplace


Discretização temporalDiscretização temporal

Discretização espacialDiscretização espacial

Método numéricoMétodo numérico

xx

yy


http://images.google.com.br/imgres?imgurl=http://keith.hostmatrix.org/testbed/wp-content/uploads/2006/07/matlab_logo.gif&imgrefurl=http://keith.hostmatrix.org/testbed/&h=420&w=560&sz=33&hl=pt-BR&start=1&um=1&tbnid=luK1qGow7LqlQM:&tbnh=100&tbnw=133&prev=/images%3Fq%3Dmatlab%26svnum%3D10%26um%3D1%26hl%3Dpt-BR%26sa%3DN

http://images.google.com.br/imgres?imgurl=http://www.angelzeitoune.com.ar/cpp/images/logo_cpp.jpg&imgrefurl=http://www.angelzeitoune.com.ar/cpp/articulos.html&h=295&w=333&sz=18&hl=pt-BR&start=6&um=1&tbnid=BuGs9ofM9Snb8M:&tbnh=105&tbnw=119&prev=/images%3Fq%3Dc%252B%252B%26svnum%3D10%26um%3D1%26hl%3Dpt-BR



Dedução do modelo




Etapas da ModelagemEtapas da ModelagemCalibração e validação do modeloCalibração e validação do modelo

ObservadoCalculado

Período de calibração Período de validação

A

MonitoramentoMonitoramento

Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência

ADP

AUTOAMOSTRADOR

FLowCAM

HYPERSPECTRAL

GUINCHO

ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS

TELEMETRIA

sondas

•Temp•O2

•CO2

•CDOM

•Green

•Cyano

•Diatom

•Brown

NÍVEL

LOGGER / CONTROLADOR

Temp LINE

MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA

Perfilador e Sonda -YSI


ADP

AUTOAMOSTRADOR

FLowCAM

HYPERSPECTRAL

GUINCHO


TELEMETRIA

sondas

•Temp•O2

•CO2

•CDOM

•Green

•Cyano

•Diatom

•Brown

NÍVEL


Temp LINE


Hiperespectral -TriOS


ADP

AUTOAMOSTRADOR

FLowCAM

HYPERSPECTRAL

GUINCHO


TELEMETRIA

sondas

•Temp•O2

•CO2

•CDOM

•Green

•Cyano

•Diatom

•Brown

NÍVEL


Temp LINE


Mini-ADP – Sontek


ADP

AUTOAMOSTRADOR

FLowCAM

HYPERSPECTRAL

GUINCHO


TELEMETRIA

sondas

•Temp•O2

•CO2

•CDOM

•Green

•Cyano

•Diatom

•Brown

NÍVEL


Temp LINE


CDOM/Chl/Phyc - WETLabs


ADP

AUTOAMOSTRADOR

FLowCAM

HYPERSPECTRAL

GUINCHO


TELEMETRIA

sondas

•Temp•O2

•CO2

•CDOM

•Green

•Cyano

•Diatom

•Brown

NÍVEL


Temp LINE


Auto Amostrador - ISCO


ADP

AUTOAMOSTRADOR

FLowCAM

HYPERSPECTRAL

GUINCHO


TELEMETRIA

sondas

•Temp•O2

•CO2

•CDOM

•Green

•Cyano

•Diatom

•Brown

NÍVEL


Temp LINE


FlowCAM


ADP

AUTOAMOSTRADOR

FLowCAM

HYPERSPECTRAL

GUINCHO


TELEMETRIA

sondas

•Temp•O2

•CO2

•CDOM

•Green

•Cyano

•Diatom

•Brown

NÍVEL


Temp LINE


Net Radiómetro - Kipp & Zonen

ECOMapper (heterogeneidade espacial)


• High-Resolution Water Quality and Bathymetry Mapping



Dedução do modelo




Etapas da ModelagemEtapas da ModelagemAplicação do modeloAplicação do modelo

0 200 400 600 800 10000

2

4

6

8

10

Tempo (dias)

AZ

K


Aplicaçãodo

modelo

Entendimentodos

processos

Geração dehipóteses

Preenchimento dedados

Previsão

Teste de cenários

Módulo Hidrodrinâmico tridimensional Módulo de qualidade da água e sedimento Módulo biológico Versão Windows (www.peld.ufrgs.br)

O modelo IPH-ECOO modelo IPH-ECO

Novos desenvolvimentos: - Representação do ciclo do carbono, implementação do carbono como variável de estado.

- Representação do bacterioplâncton = simulação da biomassa de bactérias = loop microbiano.

5 grupos de zoops

4 Compartimentos de matéria orgânicaModelagem

GHG

7 grupos funcionais de fitoplâncton

Estrutura do modeloEstrutura do modelo

Algumas aplicações do modelo IPH-ECO

Estados Alternativos de EstabilidadeEstados Alternativos de Estabilidade

BiomanipulaçãoBiomanipulação

Qualidade da água em estuários

Heterogeneidade do fitoplâncton

1

R2 = 0.96

R2 = 0.97

R2 = 0.92

R2 = 0.94

Calibration Validation

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Win

d (

m/s

)

1/1/0

3

1/3/0

3

1/5/0

3

1/7/

03

1/9/

03

1/11/0

3

1/13

/03

1/15

/03

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

7/9/0

2

7/14/0

2

7/19/0

2

7/24/0

2

7/29/0

2

8/3/0

2

Win

d (

m/s

)

R2 = 0.96

R2 = 0.92

1

>40

30

20

10

0

(a) (b)

TAMAS TAMAC TAMAN

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1

TAMAS TAMAC TAMAN

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

2

TAMAS TAMAC TAMAN

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

3

Chlorophyll a (mg m-3)

Total nitrogen (mg l-1)

Total phosphorus (mg l-1)

10

0.0 0.0 0.3

1.00.1

Phytoplankton (mg/L)

Sub. Macrophytes (g/m2)

Zooplankton (mg/L)

Lagoa Mangueira, BR

Instituto de Pesquisas Hidráulicas Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Distância (km)

Pro

fund

idad

e (m

)

Temperatura da água (oC)

10 20 30 40 50 60 70

20

40

60

80

100

120

140

15

16

17

18

19

20

Distância (km)

Pro

fund

idad

e (m

)

O2 (mg/L)

10 20 30 40 50 60 70

20

40

60

80

100

120

140

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Instituto de Pesquisas Hidráulicas Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Distância (km)

Pro

fund

idad

e (m

)

NO3 (mg/L)

10 20 30 40 50 60 70

20

40

60

80

100

120

1400

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Distância (km)

Pro

fund

idad

e (m

)

Clorofila-a (ug/L)

10 20 30 40 50 60 70

20

40

60

80

100

120

1400

5

10

15

Monitoramento de alta frequência

Modelagem Ecológica :• Previsão de curto, médio e longo prazo

• Média e Grande Escala•Acoplamento com modelos hidrológicos e

climáticos

Dados de entrada

Telemetria

Previsão

Calibração

Pós-processamento

Data MiningBusca por padrões no sistema

Banco de DadosDados MonitoramentoResultados previsão

ResultadosDados de entrada

Resultados

Monitoramento contínuo e de alta frequência

Cenários em tempo real

Mudanças de composição de espécies; Modelagem da biodiversidade; Modelagem da pesca e aquicultura; Modelagem do efeito de mudanças climáticas; Modelagem de processos adaptativos; Modelagem da emissão de gases de efeito estufa

Desafios e oportunidades (Aspectos ecológicos)Desafios e oportunidades (Aspectos ecológicos)

Quantificar impactos ambientais; Complexidade de modelos ecológicos; Modelos com estruturas flexíveis (dimensão,

complexidade); Integração da modelagem em bacias e ecossistemas

aquáticos; Calibração, incerteza e erro.

Desafios e oportunidades (Aspectos conceituais)Desafios e oportunidades (Aspectos conceituais)

Interface Gráfica (disseminação dos modelos); Integração de aproximações (modelos baseados em

indivíduos com modelos estruturais dinâmicos); Documentação, código fonte e direitos autorais.

Desafios e oportunidades (Aspectos técnicos)Desafios e oportunidades (Aspectos técnicos)

Toda interferência externa deve ser cuidadosamente investigada;

Atividades antrópicas pode resultar em uma mudança de estado indesejável;

O monitoramento e a modelagem são excelentes ferramentas para a avaliação dos impactos ambientais;

Hidrodinâmica é importante; Problemas complexos devem ser tratados de forma

complexa.

Resumindo...Resumindo...

http://www.ofitextos.com.br

Lançamento - 2009

Obrigado pela atenção!Obrigado pela atençã[email protected]@hotmail.com

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introdução à gestão ambiental e aos modelos hidrológicos

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