Introdução à gestão ambiental e aos modelos hidrológicos

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

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

6. Distúrbios nos ecossistemas

7. Distúrbios nos ecossistemas

8. Mudanças catastróficas!!!

9. Estados Alternativos Oscilação entre estados alternativos estáveis:

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. 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.

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

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

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

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

19. O que são Modelos?

20. O que são Modelos?

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. 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 SIMPLIFICADA do comportamento do sistema. Modelos mais utilizados: Modelos matemáticos

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

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. 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 !!

28. 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;

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 Reaeração 1925-1960 (Streeter-Phelps) Problemas: efluentes primários e não tratados Poluentes: DBO/OD Sistema: rios e estuários (1D) Cinéticas: linear Soluções: analíticas DBO OD P R ODsed 1960-1970 (computacional) Problemas: efluentes primários e não tratados Poluentes: DBO/OD Sistema: rios e estuários (1D / 2D) Cinéticas: linear Soluções: analíticas e numéricas

32. Histórico de desenvolvimento Peixes 1970-1977 (Biologia) NO3 NH3 Norg Problemas: eutrofização Poluentes: nutrientes Sistema: rios, lagos e estuários (1D / 2D / 3D) Cinéticas: não-linear Soluções: numéricas Zoo PO4 Porg Fito 1977- hoje (Tóxicos) Sólidos Tóxicos Biota Problemas: tóxicos Poluentes: orgânicos e metais Sistema: interações água-sedimento Interações da cadeia alimentar (1D / 2D / 3D) Cinéticas: não-linear Soluções: numéricas e analíticas água sedimento Sólidos Água intersticial Bentos

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 Fenômeno de interesse Funções governantes ou Variáveis externas Parâmetros Variáveis de estado Processos Parâmetros

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 Floração de cianobactérias Eutrofização Biomanipulação Problemas em Limnologia Piscicultura Interações tróficas Pesca predatória Usos da água Estados alternativos

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

43. Etapas da Modelagem Simplificações e formulação de hipóteses

44. Etapas da Modelagem Simplificações e formulação de hipóteses Produção Taxa constante Luz Temperatura Nutrientes

45. Etapas da Modelagem Simplificações e formulação de hipóteses Complexidade Aproximação Nº ótimo de parâmetros Nº 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 As Leis da Natureza!! Acumulação Líquida = Transporte Fonte/Sumidouro (transformações) Fluxo Propriedades Conservativas devido movimento água (advecção, mistura turbulenta, difusão) Funções Forçantes

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