Introdução à gestão ambiental e aos modelos hidrológicos Carlos Ruberto Fragoso Júnior.

Apresentação em tema: "Introdução à gestão ambiental e aos modelos hidrológicos Carlos Ruberto Fragoso Júnior."— Transcrição da apresentação:

1 Introdução à gestão ambiental e aos modelos hidrológicos Carlos Ruberto Fragoso Júnior

2 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.

3 Ecossistemas Aquáticos Importância sócio- econômica-ambiental Grande diversidade e produtividade biológica Fragilidade às agressões antrópicas, promovendo profundas modificações...

4 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;

5 Distúrbios nos ecossistemas

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8 Mudanças catastróficas!!!

9 Oscilação entre estados alternativos estáveis: Estados Alternativos

10 Outros fatores condicionantes Biomanipulação (biológica) Pesca (social) Pisciculturas (social) Mudanças climáticas (climatológica) Barragens (física)....

11 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).

12 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.

13 Gestão Ambiental

14 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.

15 Complexidade dos Ecossistemas Processos físicos: - precipitação - evaporação - evapotranspiração - infiltração - percolação - escoamento superficial - escoamento subterrâneo

16 Processos abióticos: - resuspensão - sedimentação - mineralização - nitrificação - denitrificação - adsorção - reaeração Complexidade dos Ecossistemas

17 Processos bióticos: - fotossíntese - assimilação - produção - respiração - mortalidade - predação - decomposição Processos bióticos: - fotossíntese - assimilação - produção - respiração - mortalidade - predação - decomposição Complexidade dos Ecossistemas

18 Como quantificar? Modelos matemáticos Como lidar com tanta complexidade? Como avaliar impactos ambientais? Questões

19 O que são Modelos?

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21 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

22 Sistema Qualquer 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 SISTEMA ENTRADAS SAÍDAS Modelos mais utilizados:Modelos matemáticos Sistemas x Modelos

23 Modelos Matemáticos Representação matemática dos processos ambientais em sistemas hídricos

24 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 Sistemas

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26 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?

27 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 - Princípios

28 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 hidrológicos

29 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

30 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

31 Histórico de desenvolvimento 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 DBOOD Reaeração PROD sed

32 Histórico 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 NO 3 NH 3 N org PO 4 P org Sólidos Água intersticial Bentos TóxicosBiota água sedimento

33 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 SIG

34 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 chuva-vazão

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

36 Até segunda que vem...

37 Elementos da Modelagem Funções governantes ou Variáveis externas Processos Parâmetros Fenômeno de interesse

38 Etapas da Modelagem Definição do problema Simplificação e formulação de hipótese Dedução do modelo Resolução do problema Calibração e validação Aplicação do modelo

39 Etapas da Modelagem Definição do problema Simplificação e formulação de hipótese Dedução do modelo Resolução do problema Calibração e validação Aplicação do modelo

40 Etapas da Modelagem Problemas em Limnologia Biomanipulação Interações tróficas Estados alternativos Usos da águaPesca predatória Piscicultura Floração de cianobactérias Eutrofização

41 Etapas da Modelagem Definição do problema Simplificação e formulação de hipótese Dedução do modelo Resolução do problema Calibração e validação Aplicação do modelo

42 Etapas da Modelagem Quais são as variáveis? Quais são as hipóteses ? Quais são os processos? Essa é a minha proposta!!! Simplificações e formulação de hipóteses

43 Etapas da Modelagem Simplificações e formulação de hipóteses

44 Etapas da Modelagem Simplificações e formulação de hipóteses Produção LuzTemperaturaNutrientes Taxa constante

45 Etapas da Modelagem Simplificações e formulação de hipóteses Nº de parâmetros Complexidade Aproximação Nº ótimo de parâmetros

46 Etapas da Modelagem Definição do problema Simplificação e formulação de hipótese Dedução do modelo Resolução do problema Calibração e validação Aplicação do modelo

47 Modelos Qualidade Água e Hidrodinâmica Derivado aplicação Leias de Conservação Propriedades conservativas intrínsecas internas momentum, 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 Energia Balanço Calor e Evaporação Relações de mistura Conservação de Massa Massa água na hidrodinâmica e transporte Massa materiais dissolvidos ou suspensos na água Balanço massa expandido para incluir mudanças cinéticas Conservação de Momento Água: movimento Água: Fluxo Acumulação Líquida = Transporte Fonte/Sumidouro (transformações) Fluxo Propriedades Conservativas devido movimento água (advecção, mistura turbulenta, difusão) Funções Forçantes As Leis da Natureza!!

48 Etapas da Modelagem Dedução do modelo matemático Modelo conceitual

49 Etapas da Modelagem Dedução do modelo matemático

50 Etapas da Modelagem Definição do problema Simplificação e formulação de hipótese Dedução do modelo Resolução do problema Calibração e validação Aplicação do modelo

51 Etapas da Modelagem Resolução do problema Solução das equações diferenciais através de um método numérico: Métodos analíticos Métodos numéricos Euler Diferenças finitas Elementos Finitos Elementos de contorno Runge-Kutta Método dos Coeficientes Não-determinados Transformadas de Laplace

52 Etapas da Modelagem Resolução do problema Discretização temporal Discretização espacial Método numérico x y

53 Etapas da Modelagem Resolução do problema

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55 Etapas da Modelagem Definição do problema Simplificação e formulação de hipótese Dedução do modelo Resolução do problema Calibração e validação Aplicação do modelo

56 Etapas da Modelagem Calibração e validação do modelo Observado Calculado Período de calibraçãoPeríodo de validação A

57 Monitoramento

58 Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência ADP AUTOAMOSTRADOR FLowCAM HYPERSPECTRAL GUINCHO ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS TELEMETRIA sondas Temp O 2 CO 2 CDOM Green Cyano Diatom Brown NÍVEL LOGGER / CONTROLADOR Temp LINE MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA Perfilador e Sonda -YSI

59 Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência ADP AUTOAMOSTRADOR FLowCAM HYPERSPECTRAL GUINCHO ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS TELEMETRIA sondas Temp O 2 CO 2 CDOM Green Cyano Diatom Brown NÍVEL LOGGER / CONTROLADOR Temp LINE MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA Hiperespectral -TriOS

60 Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência ADP AUTOAMOSTRADOR FLowCAM HYPERSPECTRAL GUINCHO ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS TELEMETRIA sondas Temp O 2 CO 2 CDOM Green Cyano Diatom Brown NÍVEL LOGGER / CONTROLADOR Temp LINE MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA Mini-ADP – Sontek

61 Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência ADP AUTOAMOSTRADOR FLowCAM HYPERSPECTRAL GUINCHO ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS TELEMETRIA sondas Temp O 2 CO 2 CDOM Green Cyano Diatom Brown NÍVEL LOGGER / CONTROLADOR Temp LINE MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA CDOM/Chl/Phyc - WETLabs

62 Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência ADP AUTOAMOSTRADOR FLowCAM HYPERSPECTRAL GUINCHO ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS TELEMETRIA sondas Temp O 2 CO 2 CDOM Green Cyano Diatom Brown NÍVEL LOGGER / CONTROLADOR Temp LINE MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA Auto Amostrador - ISCO

63 Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência ADP AUTOAMOSTRADOR FLowCAM HYPERSPECTRAL GUINCHO ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS TELEMETRIA sondas Temp O 2 CO 2 CDOM Green Cyano Diatom Brown NÍVEL LOGGER / CONTROLADOR Temp LINE MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA FlowCAM

64 Compreensivo Amostragem Pontual Alta Freqüência ADP AUTOAMOSTRADOR FLowCAM HYPERSPECTRAL GUINCHO ESTAÇÃO METEOROLÓGICAS TELEMETRIA sondas Temp O 2 CO 2 CDOM Green Cyano Diatom Brown NÍVEL LOGGER / CONTROLADOR Temp LINE MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA Net Radiómetro - Kipp & Zonen

65 ECOMapper (heterogeneidade espacial) MONITORAMENTO CONTÍNUO E ALTA FREQUÊNCIA DE QUALIDADE DE ÁGUA High-Resolution Water Quality and Bathymetry Mapping

66 Etapas da Modelagem Definição do problema Simplificação e formulação de hipótese Dedução do modelo Resolução do problema Calibração e validação Aplicação do modelo

67 Etapas da Modelagem Aplicação do modelo K

68 Etapas da Modelagem Aplicação do modelo Entendimento dos processos Geração de hipóteses Preenchimento de dados Previsão Teste de cenários

69 Módulo Hidrodrinâmico tridimensional Módulo de qualidade da água e sedimento Módulo biológico Versão Windows (www.peld.ufrgs.br) O modelo IPH-ECO

70 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 orgânica Modelagem GHG 7 grupos funcionais de fitoplâncton Estrutura do modelo

71 Algumas aplicações do modelo IPH-ECO

72 Estados Alternativos de Estabilidade

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75 Biomanipulação

76 Qualidade da água em estuários

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79 Heterogeneidade do fitoplâncton

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84 10 0.0 0.3 1.00.1 Phytoplankton (mg/L) Sub. Macrophytes (g/m 2 )Zooplankton (mg/L) Lagoa Mangueira, BR

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86 Instituto de Pesquisas Hidráulicas Universidade Federal do Rio Grande do Sul

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91 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 Mining Busca por padrões no sistema Banco de Dados Dados Monitoramento Resultados previsão Resultados Dados de entrada Resultados Monitoramento contínuo e de alta frequência Cenários em tempo real

92 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)

93 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)

94 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)

95 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...

96 http://www.ofitextos.com.br Lançamento - 2009

97 Obrigado pela atenção! crubertofj@hotmail.com www.ctec.ufal.br crubertofj@hotmail.com