PLANEJAMENTO INTEGRADO DO USO DA ÁGUA EM
PROPRIEDADES RURAIS: O CISDERGO COMO FERRAMENTA
PARA PLANEJAMENTO
Rosires Catão Curi, Profa.do Dept. de Eng. Civil, CCT-UFPB ,Wilson Fadlo Curi, Prof.
Dept. de Física, UFPB, José Florentino Porto Junior, Mestrando Recursos Hídricos, UFPB.
Campina Grande, PB, fone: (83)310-1290, E-mail: [email protected]
RESUMO
Neste trabalho é apresentado o modelo CISDERGO (Cropping and Irrigation System
Design with Optimal Reservoir and Groundwater Operation), que é um modelo de otimização
baseado em programação linear recursiva, desenvolvido no ambiente MATLAB, e é destinado
a maximizar múltiplos objetivos relativos a implantação ou aperfeiçoamento de operação de
um ou mais perimetros irrigados. Para isso, pode-se, de forma integrada, otimizar o uso da
água captada de reservatórios, poços e rios. É discutido os usos potenciais do CISDERGO no
que diz respeito ao planejamento do uso da água para pequena, média e grandes propriedades
rurais. São mostrados, também, os requerimentos de dados de entrada.
Palavras-Chave: Modelo de otimização, CISDERGO, Planejamento agrícola.
INTRODUÇÃO
No artigo “Planejamento Integrado do Uso da Água em Propriedades Rurais:
Considerações” mostrou-se a dependência que a economia das pequenas propriedades rurais
tem à disponibilidade de água. Abordou-se as possibilidades de ocorrência naturais de
armazenamento de água nas propriedades e ressaltou-se a importância de ter-se relações
precisas de custo de armazenamento da água versos benefícios auferidos. Elencou-se os
diversos usos da água na propriedade rural bem como as principais causas de perdas de água
nos mesmos. Ênfase especial foi dada as questões de eficiência do uso da água nas
propriedades; em especial no que se refere à redução da evaporação dos mananciais
superficiais. Salientou-se, também, a importância do uso de modelos de otimização no
planejamento tanto das atividades econômicas, como do uso da escassa água da propriedade.
Neste artigo, dar-se-á continuidade à abordagem sobre otimização, com a apresentação do
CISDERGO e seu potencial de apoio no planejamento do uso da água, tanto para pequenas,
médias e grandes propriedades rurais quanto para grandes sistemas de recursos hídricos que
atendam a múltiplos usos e a grandes extensões de terra. São discutidos, neste artigo, os usos
potenciais do CISDERGO, apresentados os dados de entrada e os processos pertinentes.
PROGRAMAÇÃO LINEAR EM RECURSOS HÍDRICOS
A programação linear (PL), segundo Barbosa, 1997, tem aplicações na área de recursos
hídricos que remontam a década de 60, no âmbito dos trabalhos do “Harvard Water Resources
Group”. Desde então muitas aplicações na área de recursos hídricos têm sido registradas,
tanto em PL quanto não linear. Em águas subterrâneas pode-se citar os trabalhos de Thomas e
Burden, 1965, e Aguado e Remson, 1974. Mas foi no âmbito da operação de reservatórios que
a PL, só ou acoplada a outras técnicas como programação dinâmica e inteira, tiveram maior
utilização (Dorfman, citado por Simonovic, 1992, Braga e Barbosa, 1987, Zahed, 1987,
Santana e Lanna, 2000, Yeh, 1985).
A PL, assim como outras técnicas de programação matemática, foram, também,
usadas no desenvolvimento de trabalhos para otimizar sistemas de produção agrícola,
considerando cultivo único ou múltiplos, submetidos ou não a programas de irrigação
específicos (Matanga e Mariño, 1979; Kumar e Khepar, 1980; Tsai et al., 1987; Bernardo et
al., 1988; Mannocchi e Mecarelli, 1994, Arce, 1990, Dantas Neto, 1994, Oliveira & Lanna,
1997, Curi & Curi, 1998, e Rodrigues et al., 2000).
O CISDERGO, Cropping and Irrigation System DEsign with Reservoir and
Groundwater (Optimal) Operation, é um programa de otimização baseado em PL recursiva,
isto é, leva em consideração a natureza não linear do problema de forma recursiva,
desenvolvido no ambiente MATLAB. Ele é destinado a maximizar múltiplos benefícios ou
objetivos relativos à implantação ou melhoramento da operação de um ou mais perímetros
irrigados dentro do contexto das disponibilidades de dados físicos, sócio-econômicos e
ambientais que, normalmente, o projetista dispõe para analisar e projetar o sistema. Para isso,
pode-se, de forma integrada, otimizar o uso e operação da água captada de um reservatório,
poços ou rios. Também, pode-se otimizar os usos de vários sistemas de motobombas levandose em consideração suas capacidades de elevação: sucção e recalque. O programa permite a
inserção de várias áreas a diferentes cotas no perímetro irrigado, que são subdivisões
denominadas de unidades de produção, e suas limitações de área física e operacionais com
relação aos tipos de culturas e irrigações a serem utilizados em cada uma destas áreas. Caso
haja dados sobre a salinidade da água e da concentração de sal que possa provocar uma
redução de produtividade da cultura, estes podem ser inclusos no cálculo da necessidade
líquida para lixiviação é incorporada a necessidade líquida das culturas. Caso haja a
possibilidade de reuso de águas servidas, as quais tenham um padrão de qualidade
diferenciado e, portanto, não sejam adequadas para irrigar determinados tipos de culturas,
podem-se ser feitas considerações no modelo que impõem limitações quanto ao uso da água
de qualidade inferior para irrigar apenas pré-determinas culturas. Além das limitações que são
impostas as variáveis do problema, o CISDERGO permite, ainda, a inclusão de novas
limitações de recursos (financeiros, mão de obra, insumos, agrotóxicos, área, etc.) assim como
a mudança da função objetivo (como, por exemplo, minimizar o uso de agrotóxicos enquanto
se maximiza a receita líquida).
ESTRUTURA DO CISDERGO
A Figura 1 mostra, de forma simplificada, o esquema de um projeto de irrigação
integrado com captação de água via poços, rios e reservatório para áreas irrigadas de diversas
formas. Portanto, o CISDERGO foi projetado para se ter um ou mais perímetros irrigados,
cada um dos quais com seus próprios dados meteorológicos, suas limitações físicas de
disponibilidade de terreno e de áreas plantadas para cada tipo de cultura. Os dados
meteorológicos servem para calcular a precipitação efetiva disponível para as culturas
mensalmente.
Os perímetros podem ser subdividos em unidades de produção que, por sua vez,
podem ser representativos de diferentes tipos de terrenos, níveis ou cotas, usuários ou
qualquer outra particularidade que faça com que tenham características diferentes de
limitações de disponibilidade de áreas físicas ou com plantações de certos tipos de culturas,
etc. Uma unidade de produção não pode pertencer a mais de um perímetro irrigado. Pode ser
definido para cada unidade de produção o tipo de fonte de água que irá suplementar os
requerimentos das necessidades hídricas das culturas.
As fontes de água são quantificadas em termos da quantidade e qualidade de água,
custos de implantação e manutenção e são classificadas com relação ao tipo delas. Elas podem
ser captadas via canais ligados diretamente a um reservatório ou à calha do rio à jusante
deste e poços ou rios que venham a passar nas vizinhanças do perímetro irrigado. No
reservatório é feito o balanço hídrico mensal considerando os dados de vazões afluentes,
precipitações, evaporações, demandas fixas e vazões nos canais ligados diretamente ao
reservatório, descarregadas na calha do rio à sua jusante e vertidas. Os poços, por sua vez, tem
suas limitações mensais designada em termos de sua capacidade de vazão e em termos da
disponibilidade hídrica mensal do lençol freático a que pertence. Estes lençóis freáticos
agrupam um ou mais poços. Os rios podem ser tratados como poços que não tenham
profundidade.
A captação de água para irrigação das culturas necessita, quando não é possível ser
feita a irrigação por gravidade, de um sistema de bombeamento apropriado. Este sistema de
bombeamento deve ser capaz de satisfazer os requerimentos de recalque, sucção, vazão e
custo (de energia) necessários a levar a água da fonte até a cultura. Para isso, são levadas em
consideração as cotas de cada unidade de produção e das fontes as perdas e requerimentos de
pressão no sistema de irrigação, e os requerimentos de recalque e sucção de fontes do tipo
poços. Pode-se selecionar que sistema de bombeamento pode ser utilizado em cada fonte de
água e unidade de produção.
Finalmente, deve-se prover os dados referentes as culturas a serem plantadas em cada
unidade de produção ou perímetro irrigado. Estes dados relacionam-se a sua capacidade de
produção, custos e receitas, requerimentos hídricos, etc. Ainda, sob o aspecto econômico,
procurou-se permitir a inclusão da correção monetária anual e das tendências anuais ou
sazonais de aumento do preço individual de cada cultura. Além disso, temos, para cada
cultura, a associação com um sistema de irrigação que, por sua vez, também, tem eficiências,
requerimentos e perdas de pressão, custos, etc.
O CISDERGO permite incorporar, por unidade de produção ou perímetro, e a níveis
temporais mensais, anuais ou total, restrições ou outros requerimentos associados a seleção de
culturas. Associado a estas restrições, pode-se, também, ter associações de múltiplas funções
objetivos.
Chuva
Afluências
Abastecimento
Evapotranspiração
Perímetro 3
Rio
Canais Evaporação
Adutora
Reservatório
Perímetro 2
Up6
Poços Up8 Up7
Perímetro 1 com
Unidades de Produção Up
Up1
Up3
Up2
Canais
Up5
Up4
Poços
Rio Perenizado
Lençol Freático 2
Lençol Freático 1
Figura 1: Situação física que o CISDERGO pode representar.
A Figura 2 mostra, de forma resumida, os requerimentos de dados para o CISDERGO
dentro das possibilidades de projetos físicos permitidos. Nesta figura pode-se observar que
são necessários dados referentes à: Equipamentos a serem utilizados, Fontes de água e
Perímetros irrigados, que podem ser subdivididos em unidades de produção. Com o banco de
dados devidamente preenchido, passa-se ao processo de otimização, no qual são efetuados as
linearizações dos processos não lineares, com iterativos e recorrentes cálculos de balanço
hídrico e aplicação da programação linear até atingir-se uma convergencia desejada. Os
resultados são fornecidos em termos da área a ser irrigada com cada cultura, por unidade de
produção, por fonte hídrica e por sistema de bombeamento e a política de operação para os
reservatórios, poços e determinação das captações que podem ser feitas do rio.
Portanto, o CISDERGO está relacionado com o desenvolvimento de uma metodologia
que considera esta análise integrada e que permite a maximização dos benefícios econômicos
de uma seleção apropriada de culturas por unidade de produção cujas extensão de suas áreas
irrigadas, tipos de irrigação, lâminas de rega ou vazões aduzidas dos poços ou reservatório,
sistemas de bombeamento utilizados sejam objeto de determinação. Para ser mais flexível, o
modelo permite a inclusão de outros tipos de funções objetivos para incorporar outros tipos de
benefícios (por exemplo, a mão de obra, uso de um determinado equipamento ou produto,
etc.) ou perdas (por exemplo, gasto com insumos, etc.). O modelo de otimização tem como
base o princípio de conservação da massa, que é aplicada ao reservatório e à área irrigada, e
da energia, aplicado ao processo de bombeamento, e leva em consideração as limitações
inerentes do problema. Para sintetizar a idéia da concepção do CISDERGO, este foi
desenvolvido com as seguintes finalidades:
EQUIPAMENTOS
BOMBEAMENTO
Capacidades:
- Vazão
- Elevação
Eficiência
Requerimentos Financeiros:
- Instalação
- Operação
- Manutenção
Associação com Fontes
CANAIS
Capacidade
Eficiências e Vida útil
Requerimentos Financeiros
- Instalação
- Operação
- Manutenção
IRRIGAÇÃO:
Requerimento de Pressão
Eficiências
Requerimentos Financeiros:
- Instalação
- Operação
- Manutenção
- Vida útil e taxas
PROCESSO ITERATIVO
Atualiza dados Não Lineares
Balanço Hídrico:
- Solo e Reservatório
Programação Linear
Checar convergência
Área Irrigada por:
- Cultura
- Unidade de Produção
- Fonte
- Sistema Bombeamento
Política de operação:
- Reservatório
- Poços e Rios
RESULTADOS
FONTES
RESERVATÓRIOS
- Afluxos e Qualidade de Água
- Dados Estruturais
- Área x Volume
- Vertedor
- Descarregador de Fundo
- Calha do Rio
- Dados Operacionais
- Demandas
- Volumes Max e Min
- Dados Meteorológicos
- Precipitação
- Evaporação
POÇOS OU RIOS
- Capacidades e Cotas
- Qualidade de Água
- Requerimentos Financeiros:
- Instalação
- Operação
- Manutenção
PERÍMETRO
TERRENO
- Área Total Mensal
- Dados Meteorológicos
- Precipitação
- Evaporação
- Unidades de Produção:
-Cota
- Área Máxima
- Associação c/ Fontes
CULTURAS
-
Plano Cultural
Coeficiente de Cultivo
Produtividade
Custo de Produção
Preço de Venda
Areas máximas e mínimas
- Perímetro
- Por Unidade Produção
- Salinidade reduz produção
- Taxas financeiras
- Associação com:
- Sistemas de Irrigação
- Unidades de Produção
Figura 2: Dados de entrada e processos do CISDERGO.
1.
Otimização da operação integrada de um Reservatório, Poços,Rios e outras fontes
hídricas superficiais e Áreas Irrigadas via Programação Linear Recursiva
2.
Formulação automática da função objetivo e das equações de restrição
3.
Permitir, uma abordagem espacial por perímetro ou por unidades de produção, por
níveis topográficos ou por características de solo semelhantes
4.
Permitir, uma abordagem com escalas de tempo mensal, anual ou plurianual:
5.
Otimizar funções multi-objetivo
6.
Incorporar outras restrições não implícitas no CISDERGO
7.
Permitir a associação entre planos culturais, fontes de água, unidades de produção ou
perímetros, sistemas de bombeamento e de irrigação:
CONCLUSÕES
O trabalho apresentou as bases do modelo CISDERGO para otimização da operação
integrada de reservatórios, poços, rios e áreas irrigadas. Um modelo como o aqui descrito
torna-se bastante útil para aplicação em regiões de escassos recursos hídricos como o semiárido nordestino, nas quais os perímetros de irrigação de pequeno a médio porte são, em geral,
alimentados por reservatórios de médio porte e, portanto, mais sujeitos aos efeitos de
variações climáticas. Advém daí a extrema importância do planejamento e otimização
conjunta das áreas irrigadas e do reservatório de forma que o produtor não venha a ter sérios
prejuízos em função do não atendimento da demanda hídrica das suas culturas irrigadas,
principalmente as perenes, como é o caso das frutíferas tão em voga na região como fonte de
renda para a população, inclusive como produto de exportação. O CISDERGO é uma
ferramenta computacional que vem sendo testada (Cunha, 1999 e Almeida, 2000) e
continuamente aprimorada a fim de atender as peculiaridades de problemas complexos de
grande porte, podendo também ser utilizada para problemas de pequeno porte, com sistemas
simples ou complexos.
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