Carlos Ruberto Fragoso Júnior Introdução à gestão ambiental e aos modelos hidrológicos Desenvolvimento 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 Aquáticos • Importância sócioeconômica-ambiental • Grande diversidade e produtividade biológica • Fragilidade às agressões antrópicas, promovendo profundas modificações... Distúrbios 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 ecossistemas Distúrbios nos ecossistemas Distúrbios nos ecossistemas Mudanças catastróficas!!! Estados Alternativos Oscilação entre estados alternativos estáveis: Outros fatores condicionantes • Biomanipulação (biológica) • Pesca (social) • Pisciculturas (social) • Mudanças climáticas (climatológica) • Barragens (física) • .... 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 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. Gestão Ambiental Gestão Ambiental 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 Ecossistemas Processos físicos: - precipitação - evaporação - evapotranspiração - infiltração - percolação - escoamento superficial - escoamento subterrâneo Complexidade dos Ecossistemas Processos abióticos: - resuspensão - sedimentação - mineralização - nitrificação - denitrificação - adsorção - reaeração Complexidade dos Ecossistemas Processos bióticos: - fotossíntese - assimilação - produção - respiração - mortalidade - predação - decomposição Questões Como quantificar? Como lidar com tanta complexidade? Como avaliar impactos ambientais? Modelos matemáticos O que são Modelos? O que são Modelos? Modelos 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 Sistemas x Modelos Sistema Qualquer estrutura, esquema ou procedimento, real ou abstrato, que em um dado tempo de referência se interrelaciona com uma entrada e uma saída. ENTRADAS SISTEMA SAÍDAS Modelo Representacão sistema. SIMPLIFICADA do comportamento Modelos mais utilizados: Modelos matemáticos do Modelos Matemáticos Representação matemática dos processos ambientais em sistemas hídricos Sistemas • 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 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? Modelos - Princípios 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 !! Uso de modelos hidrológicos 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; Questões históricas • 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 históricas • 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 Histórico de desenvolvimento Reaeração 1925-1960 (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 P R ODsed Histórico de desenvolvimento Peixes 1970-1977 (Biologia) Problemas: eutrofização Poluentes: nutrientes Sistema: rios, lagos e estuários (1D / 2D / 3D) Cinéticas: não-linear Soluções: numéricas Zoo Fito NO3 NH3 PO4 Porg Norg 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 Sólidos Tóxicos Biota água sedimento Sólidos Água intersticial Bentos Impulso de Sensoriamento Remoto e SIG • 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; Desafios no desenvolvimento de modelos chuva-vazão • 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)? Presente - Futuro • Ainda os computadores: • • • • • • Processamento paralelo Interação com SIG Usuário (interface) Sistemas de Suporte à Decisão Ciclos biogeoquímicos Organismos Aquáticos • Até segunda que vem... Elementos da Modelagem Fenômeno de interesse Parâmetros Funções governantes ou Variáveis externas Processos Parâmetros Etapas da Modelagem Definição do problema Simplificação e formulação de hipótese Dedução do modelo Resolução do problema Calibração e validação Aplicação do modelo Etapas da Modelagem Definição do problema Simplificação e formulação de hipótese Dedução do modelo Resolução do problema Calibração e validação Aplicação do modelo Etapas da Modelagem Floração de cianobactérias Piscicultura Pesca predatória Eutrofização Biomanipulação Problemas em Limnologia Interações tróficas Usos da água Estados alternativos Etapas da Modelagem Definição do problema Simplificação e formulação de hipótese Dedução do modelo Resolução do problema Calibração e validação Aplicação do modelo Etapas da Modelagem Simplificações e formulação de hipóteses Quais são as hipóteses ? Quais são as variáveis? Quais são os processos? Essa é a minha proposta!!! Etapas da Modelagem Simplificações e formulação de hipóteses Etapas da Modelagem Simplificações e formulação de hipóteses Produção Luz 2,781 f e1 e2 L ke H Temperatura T Gmax TT20 P cons teN Ttan PP LT TN Taxa constante Nutrientes N N kN N Etapas da Modelagem Simplificações e formulação de hipóteses Complexidade Aproximação Nº ótimo de parâmetros Nº de parâmetros Etapas da Modelagem Definição do problema Simplificação e formulação de hipótese Dedução do modelo Resolução do problema Calibração e validação Aplicação do modelo As Leis da Natureza!! Modelos Qualidade Água e Hidrodinâmica Conservação de Energia Balanço Calor e Evaporação Relações de mistura Derivado aplicação Leias de Conservação Conservação de Massa Massa água na hidrodinâmica e transporte Massa materiais dissolvidos ou suspensos na água Balanço massa expandido para incluir mudanças cinéticas Propriedades conservativas intrínsecas internas momentum, calor energia, massa água, massa contaminantes Conservação de Momento Prediz: Mudanças em propriedades conservativas; Mudanças estado sistema resulta de mudanças em uma ou mais propriedades intrínsecas. Água: movimento Água: Fluxo Acumulação Líquida = Transporte Fonte/Sumidouro (transformações) Fluxo Propriedades Conservativas devido movimento água (advecção, mistura turbulenta, difusão) Funções Forçantes Etapas da Modelagem Dedução do modelo matemático Modelo conceitual A dA A rA 1 g z Z dt K A ha A dZ e z g z Z dt A ha produção consum o m z Z crescim ento m ortalidade Etapas da Modelagem 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 Etapas da Modelagem Definição do problema Simplificação e formulação de hipótese Dedução do modelo Resolução do problema Calibração e validação Aplicação do modelo Etapas da Modelagem Resolução do problema Solução das equações diferenciais através de um método numérico: Runge-Kutta Euler Diferenças finitas Elementos Finitos Métodos analíticos Método dos Coeficientes Não-determinados Transformadas de Laplace Métodos numéricos Elementos de contorno Etapas da Modelagem Resolução do problema Método numérico y Discretização temporal Discretização espacial x Etapas da Modelagem Resolução do problema Etapas da Modelagem Definição do problema Simplificação e formulação de hipótese Dedução do modelo Resolução do problema Calibração e validação Aplicação do modelo Etapas da Modelagem Calibração e validação do modelo Observado Calculado A Período de calibração Período de validação Monitoramento MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência Perfilador e Sonda -YSI ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS TELEMETRIA LOGGER / CONTROLADOR AUTOAMOSTRADOR FLowCAM GUINCHO •Temp •O2 •CO2 •CDOM •Green •Cyano •Diatom •Brown sondas HYPERSPECTRAL NÍVEL Temp LINE ADP MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência Hiperespectral -TriOS ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS TELEMETRIA LOGGER / CONTROLADOR AUTOAMOSTRADOR FLowCAM GUINCHO •Temp •O2 •CO2 •CDOM •Green •Cyano •Diatom •Brown sondas HYPERSPECTRAL NÍVEL Temp LINE ADP MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência Mini-ADP – Sontek ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS TELEMETRIA LOGGER / CONTROLADOR AUTOAMOSTRADOR FLowCAM GUINCHO •Temp •O2 •CO2 •CDOM •Green •Cyano •Diatom •Brown sondas HYPERSPECTRAL NÍVEL Temp LINE ADP MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência CDOM/Chl/Phyc - WETLabs ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS TELEMETRIA LOGGER / CONTROLADOR AUTOAMOSTRADOR FLowCAM GUINCHO •Temp •O2 •CO2 •CDOM •Green •Cyano •Diatom •Brown sondas HYPERSPECTRAL NÍVEL Temp LINE ADP MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência Auto Amostrador - ISCO ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS TELEMETRIA LOGGER / CONTROLADOR AUTOAMOSTRADOR FLowCAM GUINCHO •Temp •O2 •CO2 •CDOM •Green •Cyano •Diatom •Brown sondas HYPERSPECTRAL NÍVEL Temp LINE ADP MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência FlowCAM ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS TELEMETRIA LOGGER / CONTROLADOR AUTOAMOSTRADOR FLowCAM GUINCHO •Temp •O2 •CO2 •CDOM •Green •Cyano •Diatom •Brown sondas HYPERSPECTRAL NÍVEL Temp LINE ADP MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência Net Radiómetro - Kipp & Zonen ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS TELEMETRIA LOGGER / CONTROLADOR AUTOAMOSTRADOR FLowCAM GUINCHO •Temp •O2 •CO2 •CDOM •Green •Cyano •Diatom •Brown sondas HYPERSPECTRAL NÍVEL Temp LINE ADP MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA ECOMapper (heterogeneidade espacial) • High-Resolution Water Quality and Bathymetry Mapping Etapas da Modelagem Definição do problema Simplificação e formulação de hipótese Dedução do modelo Resolução do problema Calibração e validação Aplicação do modelo Etapas da Modelagem Aplicação do modelo 10 A Z 8 6 4 2 0 0 200 400 600 Tempo (dias) 800 1000 K Etapas da Modelagem Entendimento dos processos Previsão Aplicação do modelo Preenchimento de dados Teste de cenários Geração de hipóteses O modelo IPH-ECO Módulo Hidrodrinâmico tridimensional Módulo de qualidade da água e sedimento Módulo biológico Versão Windows (www.peld.ufrgs.br) Estrutura do modelo 4 Compartimentos de matéria orgânica Modelagem GHG 7 grupos funcionais de fitoplâncton 5 grupos de zoops Novos desenvolvimentos: - Representação do ciclo do carbono, implementação do carbono como variável de estado. - Representação do bacterioplâncton = simulação da biomassa de bactérias = loop microbiano. Algumas aplicações do modelo IPH-ECO Estados Alternativos de Estabilidade Estados Alternativos de Estabilidade Estados Alternativos de Estabilidade Biomanipulação Qualidade da água em estuários Heterogeneidade do fitoplâncton 1 02 02 -6 -6 2 R = 0.96 2 R = 0.97 2 15 /0 3 -4 1/ -4 13 /0 3 -2 1/ -2 1/ 11 /0 3 4 9/ 03 8 1/ 4 7/ 03 6 1/ 6 1/ 5/ 03 0 Wind (m/s) Calibration 1/ 3/ 03 Wind (m/s) 2 1/ 1/ 03 8/ 3/ 02 /0 2 29 / 7/ 7/ 24 02 19 / 7/ 14 /0 2 7/ 7/ 9/ 8 Validation 2 0 2 R R == 0.92 0.92 2 R = 0.94 2 >40 30 20 10 (a) 1 (b) 0 -3 Chlorophyll a (mg m ) 80 70 60 50 40 30 20 10 0 TAMAS 1 TAMAC TAMAN -1 1 Total nitrogen (mg l ) 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 TAMAS 2 TAMAC TAMAN -1 Total phosphorus (mg l ) 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 TAMAS 3 TAMAC TAMAN Lagoa Mangueira, BR Sub. Macrophytes (g/m2) Phytoplankton (mg/L) Zooplankton (mg/L) 10 0.1 1.0 0.0 0.0 0.3 Temperatura da água (oC) Instituto de Pesquisas Hidráulicas Universidade Federal do Rio Grande do Sul 20 Profundidade (m) 20 40 19 60 18 80 17 100 16 120 15 140 10 20 30 40 50 60 70 Distância (km) O2 (mg/L) 9 20 8 Profundidade (m) 40 7 6 60 5 80 4 100 3 2 120 1 140 10 20 30 40 Distância (km) 50 60 70 0 NO3 (mg/L) Instituto de Pesquisas Hidráulicas Universidade Federal do Rio Grande do Sul 20 0.3 Profundidade (m) 40 0.25 60 0.2 80 0.15 100 0.1 120 0.05 140 10 20 30 40 50 60 70 0 Distância (km) Clorofila-a (ug/L) 15 20 Profundidade (m) 40 10 60 80 100 5 120 140 10 20 30 40 Distância (km) 50 60 70 0 Monitoramento de alta frequência Data Mining Busca por padrões no sistema Resultados Dados de entrada Monitoramento contínuo e de alta frequência Telemetria Banco de Dados Dados Monitoramento Resultados previsão Resultados Cenários em tempo real Calibração Previsão Dados de entrada Modelagem Ecológica : • Previsão de curto, médio e longo prazo • Média e Grande Escala •Acoplamento com modelos hidrológicos e climáticos Pós-processamento Desafios e oportunidades (Aspectos ecológicos) 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 conceituais) 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 técnicos) Interface Gráfica (disseminação dos modelos); Integração de aproximações (modelos baseados em indivíduos com modelos estruturais dinâmicos); Documentação, código fonte e direitos autorais. Resumindo... 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. http://www.ofitextos.com.br Lançamento - 2009 Obrigado pela atenção! [email protected] www.ctec.ufal.br
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