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PRODUTO 2
METODOLOGIA DE QUALIDADE DE ÁGUA PARA
RESERVATÓRIOS DO ESTADO DO CEARÁ – ESTUDO DE VIABILIDADE E
HIERARQUIZAÇÃO DOS MODELOS IDENTIFICADOS E AVALIADOS
JANEIRO 2016
DESENVOLVIMENTO DE UMA
METODOLOGIA DE MODELAGEM DE QUALIDADE DE ÁGUA
PARA OS RESERVATÓRIOS DO ESTADO DO CEARÁ
ÍNDICES
Desenvolvimento de uma Metodologia de Modelagem de
Qualidade de Água para os Reservatórios do Estado do Ceará
Produto 2 – Metodologia de Qualidade de Água para
Reservatórios do Estado do Ceará – Estudo de Viabilidade e
Hierarquização dos Modelos Identificados e Avaliados
I
DESENVOLVIMENTO DE UMA METODOLOGIA DE
MODELAGEM DE QUALIDADE DE ÁGUA PARA OS
RESERVATÓRIOS DO ESTADO DO CEARÁ
PRODUTO 2
METODOLOGIA DE QUALIDADE DE ÁGUA PARA
RESERVATÓRIOS DO ESTADO DO CEARÁ – ESTUDO DE
VIABILIDADE E HIERARQUIZAÇÃO DOS MODELOS
IDENTIFICADOS E AVALIADOS
ÍNDICES
TEXTO PÁG.
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 1
1.1 ESCOPO DO DOCUMENTO ................................................................................... 1
1.2 CONSIDERAÇÕES................................................................................................... 1
1.3 OBJETIVOS DA MODELAGEM............................................................................. 2
1.4 ESTRUTURA DO PRODUTO 2 .............................................................................. 3
2 REQUISITOS DO MODELO .......................................................................................... 4
2.1 CONSIDERAÇÕES................................................................................................... 4
2.2 PROCESSOS HIDRODINÂMICOS ......................................................................... 5
2.3 ESTRATIFICAÇÃO TÉRMICA ............................................................................... 6
2.4 PROCESSOS DE EUTROFIZAÇÃO ....................................................................... 7
2.5 PRODUTORES PRIMÁRIOS ................................................................................... 7
3 MODELOS DE QUALIDADE DA ÁGUA: REVISÃO GERAL ................................. 9
3.1 CE-QUAL-W2 ......................................................................................................... 10
3.1.1 Limitações do modelo .................................................................................... 11
3.1.2 Características positivas ................................................................................. 11
3.2 MIKE HYDRO RIVER ........................................................................................... 11
3.2.1 Limitações do modelo .................................................................................... 12
3.2.2 Características positivas ................................................................................. 12
3.3 MOHID WATER ..................................................................................................... 13
3.3.1 Limitações do modelo .................................................................................... 13
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Qualidade de Água para os Reservatórios do Estado do Ceará
Produto 2 – Metodologia de Qualidade de Água para
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II
3.3.2 Características positivas ................................................................................. 13
3.4 SIMCAT................................................................................................................... 14
3.4.1 Limitações do modelo .................................................................................... 14
3.4.2 Características positivas ................................................................................. 15
3.5 SISBAHIA ............................................................................................................... 15
3.5.1 Limitações do modelo .................................................................................... 16
3.5.2 Características positivas ................................................................................. 16
3.6 TOMCAT ................................................................................................................. 16
3.6.1 Limitações do modelo .................................................................................... 17
3.6.2 Características positivas ................................................................................. 17
3.7 QUAL2KW .............................................................................................................. 17
3.7.1 Limitações do modelo .................................................................................... 18
3.7.2 Características positivas ................................................................................. 19
3.8 WASP7..................................................................................................................... 19
3.8.1 Limitações do modelo .................................................................................... 20
3.8.2 Características positivas ................................................................................. 20
3.9 RESUMO ................................................................................................................. 20
4 ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA ...................................... 22
4.1 CONSIDERAÇÕES................................................................................................. 22
4.2 CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO .............................................................................. 23
4.2.1 Parametrização do modelo.............................................................................. 24
4.2.2 Hidrodinâmica ................................................................................................ 26
4.2.3 Interface gráfica .............................................................................................. 26
4.2.4 Materiais de suporte........................................................................................ 27
4.2.5 Suporte técnico ............................................................................................... 28
4.2.6 Número de usuários e de aplicações ............................................................... 28
4.2.7 Publicações ..................................................................................................... 28
4.2.8 Custo ............................................................................................................... 29
4.3 AVALIAÇÃO DOS MODELOS CONSIDERADOS ............................................. 29
4.3.1 Parametrização do modelo.............................................................................. 29
4.3.2 Hidrodinâmica ................................................................................................ 30
4.3.3 Interface gráfica .............................................................................................. 31
4.3.4 Materiais de suporte........................................................................................ 31
4.3.5 Suporte técnico ............................................................................................... 32
4.3.6 Número de aplicações ..................................................................................... 32
4.3.7 Publicações ..................................................................................................... 33
4.3.8 Custo ............................................................................................................... 38
5 HIERARQUIZAÇÃO DOS MODELOS PRÉ-SELECIONADOS ............................ 40
5.1 SISTEMA DE HIERARQUIZAÇÃO ..................................................................... 40
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Qualidade de Água para os Reservatórios do Estado do Ceará
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III
5.2 RESULTADOS DA AVALIAÇÃO ........................................................................ 41
6 MODELOS DE BACIA .................................................................................................. 44
6.1 CONSIDERAÇÕES................................................................................................. 44
6.2 MODELOS CONSIDERADOS .............................................................................. 44
6.2.1 SWAT ............................................................................................................. 45
6.2.2 Bilan ............................................................................................................... 46
6.2.3 DR3M ............................................................................................................. 47
6.2.4 GSFLOW ........................................................................................................ 47
6.2.5 IHACRES ....................................................................................................... 48
6.2.6 MODBRNCH ................................................................................................. 49
6.2.7 PRMS ............................................................................................................. 49
6.2.8 RRL ................................................................................................................ 50
6.2.9 SIMGRO ......................................................................................................... 50
6.2.10 SOBEK ........................................................................................................... 52
6.2.11 TEMEZ ........................................................................................................... 52
6.2.12 GIS-BALAN ................................................................................................... 53
6.2.13 MOHID Land ................................................................................................. 54
6.3 VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA ......................................................... 55
7 PERSPECTIVAS PARA OS PRÓXIMOS PRODUTOS ............................................ 57
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 58
TABELAS DO TEXTO PÁG.
Tabela 3.1 – Modelos avaliados no estudo. .............................................................................. 10
Tabela 3.2 – Comparação dos vários modelos descritos (sumário das principais
características). ...................................................................................................... 21
Tabela 4.1 – Avaliação dos modelos: matriz comparativa dos critérios utilizados. ................. 23
Tabela 4.2 – Resumo de referências bibliográficas de cada um dos modelos em análise. ....... 34
Tabela 5.1 – Matriz de resultados da hierarquização dos modelos. ......................................... 41
Tabela 6.1 – Características dos modelos hidrológicos analisados. ......................................... 45
FIGURAS DO TEXTO PÁG.
Figura 4.1 – Publicações até a data dos modelos em estudo por pesquisa no portal
ScienceDirect. ........................................................................................................ 33
Figura 5.1 – Classificação dos modelos para cada critério de avaliação. ................................. 42
Figura 5.2 – Resultado da avaliação no sistema de hierarquização dos modelos em análise. 43
TEXTO
Desenvolvimento de uma Metodologia de Modelagem de
Qualidade de Água para os Reservatórios do Estado do Ceará
Produto 2 – Metodologia de Qualidade de Água para
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1
1 INTRODUÇÃO
1.1 ESCOPO DO DOCUMENTO
1.2 CONSIDERAÇÕES
Este documento constitui-se do Produto 2 intitulado “Proposta de Estratégia de Modelagem
da Qualidade da Água em Reservatórios – Elaboração da Metodologia de Qualidade da
Água para Reservatórios do Estado do Ceará (Estudo de viabilidade e hierarquia dos
modelos identificados e avaliados)”, previsto no estudo “Desenvolvimento de uma
Metodologia de Modelagem de Qualidade de Água para os Reservatórios do Estado do
Ceará”.
Neste relatório estão descritos os processos, metodologias e análises desenvolvidas para a
proposição dos modelos a serem aplicados, levando em consideração as características
específicas dos Açudes Acarape do Meio, Araras e Olho d’Água e as condições dominantes
no semiárido nordestino.
De acordo com o Termo de Referência do estudo em questão, são sugeridas várias
características que o modelo selecionado deve englobar, quais sejam:
– considerar aspectos regionais que afetam o regime qualitativo e que influenciam
a variabilidade observada dos parâmetros monitorados;
– estar ligado ao sistema de monitoramento;
– representar o estado da arte em monitoramento e modelagem da qualidade da
água; e,
– apresentar capacidade de modelar alguns processos físico-químicos
fundamentais, tais como os processos eutrofizantes e a estratificação térmica
(ciclo diurno).
Com este enfoque, foram selecionados cinco (5) modelos para a presente análise. Os modelos
escolhidos possuem a potencialidade para abordar, em menor ou maior detalhe, as questões
anteriormente referidas. Estes modelos são descritos, analisados e avaliados nos capítulos
seguintes.
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Qualidade de Água para os Reservatórios do Estado do Ceará
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2
1.3 OBJETIVOS DA MODELAGEM
A modelagem numérica permite atingir dois (2) objetivos fundamentais na gestão da
qualidade de água nos reservatórios, sendo eles:
– melhorar o conhecimento do sistema, ao permitir avaliar a relação entre
processos físicos, químicos e biológicos que ocorrem simultaneamente e
interagem entre si; e,
– analisar cenários de gestão na bacia e nos próprios açudes, permitindo
estabelecer relações de causa e efeito entre pressões antrópicas e o seu impacto
no estado da qualidade da água, quantificando tais impactos em parâmetros
estudados.
No âmbito do presente estudo, o objetivo de melhorar o conhecimento está relacionado aos
processos da qualidade da água, especificamente em relação à eutrofização ou crescente
enriquecimento por nutrientes dos açudes do Estado do Ceará.
Os processos da qualidade da água dependem de várias condicionantes que podem estar
presentes tanto na bacia de drenagem como no próprio corpo hídrico. São exemplos:
condições meteorológicas que afetam as afluências para o reservatório; presença de fontes de
poluição pontuais e difusas; uso do solo e processos químicos no sedimento junto ao fundo do
reservatório. Todos estes processos, tais como as suas interdependências, são dificilmente
quantificáveis e qualificáveis sem recorrer a modelos numéricos (RODRIGUES &
JUNIOR, 2012).
Um modelo matemático numérico, calibrado e validado, é também uma excelente ferramenta
para analisar cenários de gestão, que é o segundo objetivo principal da modelagem
numérica. Com modelos numéricos integrados é possível responder a questões como as que
se seguem.
– Qual é o impacto ao alterar o uso de solo em áreas específicas de uma bacia
hidrográfica em termos de carga de nutrientes nos corpos hídricos?
– Qual é o impacto ao alterar o grau de tratamento em uma estação de tratamento
de esgotos em termos da carga de nutrientes?
– Qual o efeito que a diminuição da carga de nutrientes pode ter nos níveis tróficos
no reservatório?
– A realização regular de descargas de fundo em determinado reservatório melhora
a qualidade da água?
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3
Desta forma, quando devidamente explorado, um modelo matemático é uma ferramenta
insubstituível no estudo e gestão de reservatórios.
1.4 ESTRUTURA DO PRODUTO 2
O presente documento se organiza em oito (8) capítulos, após o item introdutório, em que se
apresentam o escopo do documento e os objetivos do trabalho desenvolvido. Tais capítulos
são identificados a seguir.
– Capítulo 2, em que são apresentados os requisitos necessários ao modelo.
– Capítulo 3, em que são elencados vários modelos de qualidade da água
atualmente disponíveis, assim como as suas principais características.
– Capítulo 4, em que é apresentado o estudo de viabilidade técnica e econômica
dos modelos pré-selecionados.
– Capítulo 5, em que são hierarquizados os modelos pré-selecionados.
– Capítulo 6, em que é apresentada uma breve avaliação de modelos de bacia, para
que seja relacionada a uma eventual falta de dados para o modelo de reservatório.
– Capítulo 7, em que é apresentada a perspectiva para os próximos produtos do
estudo.
– Capítulo 8, em que são elencadas as fontes bibliográficas mencionadas no
documento.
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2 REQUISITOS DO MODELO
2.1 CONSIDERAÇÕES
Os modelos numéricos podem ser classificados como determinísticos ou estocásticos (não
determinísticos), sendo os determinísticos caracterizados pela existência de uma relação
“ação-resposta” e os estocásticos por possuírem uma componente aleatória que será
condicionada a resposta do modelo.
Uma diferença significativa entre estes dois (2) tipos de modelo consiste nos resultados
quantitativos das variáveis simuladas. Os modelos determinísticos têm como resultado
valores discretos para as suas variáveis de estado. Em modelos de qualidade da água, por
exemplo, este resultado é geralmente expresso na forma de concentrações dos vários
parâmetros. Os modelos estocásticos, por outro lado, apresentam intervalos de valores,
especificando a probabilidade (em %) dos resultados das variáveis de estado se situar dentro
dos intervalos adotados.
Os modelos determinísticos podem ser empíricos, se a análise dos processos se reduz à
procura de uma relação causa-efeito entre variáveis de entrada e variáveis de saída, ou
orientados por processos, quando se procura reproduzir as leis físicas que regem
os fenômenos.
Com a crescente capacidade de cálculo que se tem verificado ao longo das últimas décadas, os
modelos determinísticos (orientados por processos e distribuídos no espaço e no tempo) têm
sido utilizados com maior intensidade, sendo agora comuns no estudo de processos
ambientais. Uma das principais potencialidades destes modelos é o estudo de cenários, uma
vez que permitem avaliar a resposta do sistema à alteração de um ou mais parâmetros do
modelo bem como possibilitam avaliar as alterações das condições meteorológicas.
Existe um conjunto de requisitos essenciais que todo modelo de qualidade da água de
reservatórios deve possuir para ter aplicabilidade. Assim, os modelos que melhor se adequam
ao estudo dos processos de qualidade da água em reservatórios são os modelos
determinísticos e orientados por processos. Além destes, outros requisitos incluem a
simulação de parâmetros e processos determinantes para o estado da qualidade dos corpos
hídricos. Alguns destes parâmetros e processos são descritos nas seções seguintes.
Os processos mais relevantes nos reservatórios são os hidrodinâmicos (descargas e
estratificação térmica; o enriquecimento por nutrientes - eutrofização e o seu consumo pelas
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algas - micro e macro); os processos aeróbios de degradação de matéria orgânica e os
processos anaeróbios que ocorrem no sedimento e liberam nutrientes para a coluna d’água,
uma vez que exercem impactos nas concentrações de oxigênio dissolvido do corpo hídrico.
Com relação aos parâmetros, aqueles que são comumente utilizados para o estudo de lagos e
reservatórios são também aqueles que, por norma, são simulados pelos modelos de qualidade
de água. São eles: Radiação Solar, Temperatura, Turbidez, Sedimentos, Oxigênio Dissolvido,
Salinidade, pH, Fosfatos, Nitratos, Amônia e Fitoplâncton (vários grupos). Qualquer modelo
destinado ao estudo da evolução da qualidade da água nos reservatórios deve considerar estes
parâmetros, assim como os processos fundamentais, mencionados anteriormente, que com
eles estão relacionados.
Nesta seção são descritas algumas destas características fundamentais nos modelos de
qualidade da água e que justificam a escolha dos modelos que são
posteriormente hierarquizados.
2.2 PROCESSOS HIDRODINÂMICOS
A hidrodinâmica dos modelos depende da estrutura espacial adotada na modelagem. Os
modelos podem ser:
– zero-dimensionais (0D): consideram o corpo d’água completamente misturado, com
concentração única para cada parâmetro;
– unidimensionais (1D): assumem que os fenômenos ocorrem, preponderantemente, em
uma direção;
– bidimensionais (2D): assumem a existência de variações preponderantes em duas
direções, geralmente no perfil (vertical) e no plano (longitudinal); e,
– tridimensionais (3D): representam os fenômenos nas três (3) direções.
Por norma, os processos hidrodinâmicos de transporte horizontal não são relevantes em
reservatórios, à exceção de reservatórios sujeitos à ação do vento devido ao seu elevado fetch,
definido pela maior medida em linha reta da continuidade do seu espelho d’água (sem
interrupções por obstáculos físicos, como ilhas e penínsulas). Esta característica dos
reservatórios explica o fato de alguns modelos de qualidade da água não possuírem algoritmos
para simular os processos físicos de transporte ou então possuírem parametrização simples
para a hidrodinâmica.
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2.3 ESTRATIFICAÇÃO TÉRMICA
Os processos hidrodinâmicos são particularmente relevantes na promoção da mistura da
coluna d’água. Não menos importantes são os processos como a estratificação vertical
térmica, que reduz o transporte da água, sobretudo na vertical. Por este motivo, a modelagem
de sistemas como lagos e reservatórios depende basicamente da boa modelagem das
condições térmicas.
Sem impacto das atividades humanas, como, por exemplo, os despejos industriais e de
termoelétricas situadas nas margens dos rios ou reservatórios, a temperatura das massas de
água é determinada pela radiação solar e pelas trocas de calor com a atmosfera. A temperatura
é um parâmetro essencial nos modelos de reservatório pelo controle que exerce em processos
físico-químicos e pela sua influência nas atividades biológicas.
Qualquer modelo destinado a simular os processos de qualidade da água em lagos ou
reservatório tem que possuir, obrigatoriamente, estrutura vertical com várias camadas para
assim permitir variações nos perfis dos vários parâmetros. A capacidade de reproduzir
variações verticais no perfil da temperatura é, portanto, um fator decisivo nos modelos. Estas
variações geram camadas de água com diferentes densidades que podem formar uma barreira
física que impede a mistura de água de diferentes profundidades. Esta barreira ocorre sempre
que a mistura induzida pela energia do vento não é suficiente para misturar a água e distribuir
o calor uniformemente, criando, assim, uma estabilidade térmica. Estas camadas podem
apresentar caraterísticas físicas, químicas e biológicas distintas.
As condições do semiárido do Nordeste brasileiro apresentam especificidades que devem ser
reproduzidas pelos modelos. Um dos aspectos mais relevantes diz respeito aos fenômenos de
estratificação da massa d´água, que difere das regiões temperadas. Além da estratificação
durante a primavera, verão e outono e da desestratificação no inverno, é comum a ocorrência
de estratificação e desestratificação diária. Nestes sistemas, diferenças de 1 ou 2º C podem
causar e manter a estratificação estável da coluna d’água. Da perspectiva da modelagem, é
necessário que o modelo tenha resolução espacial (camadas em profundidade) e temporal
(passo temporal de poucas horas) adequada para conseguir reproduzir este padrão diário de
estratificação, assim como um algoritmo que permita a adequada descrição da penetração de
luz na coluna d’água.
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2.4 PROCESSOS DE EUTROFIZAÇÃO
Um dos maiores desafios na gestão da qualidade de água nos reservatórios está relacionado ao
processo de eutrofização que frequentemente estão sujeitos. Os nutrientes, embora sejam
elementos essenciais ao desenvolvimento da biota aquática, podem provocar a eutrofização
dos lagos e reservatórios quando em excesso. Os principais nutrientes são o Fósforo,
Nitrogênio, Carbono e Sílica, sendo o Fósforo e o Nitrogênio os principais agentes
de eutrofização.
Os lagos e reservatórios têm tempo de detenção maior do que rios e estuários, o que permite
que as algas sejam dominantes e sensíveis aos nutrientes inorgânicos. Os modelos devem, por
isso, apresentar parametrização detalhada de todos os processos que controlam a
disponibilidade de nutrientes sob as suas diferentes formas. Os modelos devem, igualmente,
permitir a entrada de parâmetros orgânicos e minerais ao longo do período de simulação, para
que, dessa forma, consigam aferir o impacto que as cargas orgânicas e de nutrientes possam
ter na qualidade da água do reservatório.
Da mesma forma, é essencial que estes modelos tenham boa parametrização dos processos de
mineralização da matéria orgânica no sedimento, assim como dos fluxos de massa entre o
fundo e a coluna d’água. Nos reservatórios, o fundo atua frequentemente como uma fonte de
nutrientes para a coluna d’água, desempenhando, assim, um papel ativo na eutrofização
do sistema.
2.5 PRODUTORES PRIMÁRIOS
Por estarem na base da teia alimentar e por contribuírem para a oxigenação da água por meio
da fotossíntese, os produtores primários têm um papel preponderante nos sistemas aquáticos.
A sua concentração nos reservatórios está diretamente relacionada ao estado trófico da massa
d’água. Há um conjunto de fatores ambientais que determinam o crescimento destes
organismos nos lagos e reservatórios, sendo os principais: a quantidade de luz solar disponível
na coluna d’água (dependente da intensidade da radiação que chega à superfície e pela sua
penetração na coluna d’água); a disponibilidade de nutrientes e a temperatura da água. A
influência de cada um destes fatores varia entre grupos de produtores primários e, em
consequência, há, em geral, uma sucessão de espécies diferentes de algas no reservatório ao
longo do ano e de ano para ano.
Os modelos utilizam, por norma, a concentração de Clorofila (em ug/l) para expressar a
biomassa fitoplanctônica.
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Alguns modelos simulam os produtores primários como um único grupo, expressando a sua
biomassa total na forma de um único valor de Clorofila-a.
Um outro método de modelar os produtores primários consiste em simular vários grupos
funcionais de acordo com as principais características fisiológicas, tais como: tamanho,
predominância de pigmentos e dependência de nutrientes. Neste caso, o modelo fornece como
resultado um valor de concentração de Clorofila-a para cada grupo funcional. Este método de
simular o fitoplâncton é mais adequado a lagos e reservatórios, uma vez que a dominância de
determinados grupos é fundamental na avaliação da qualidade da água. Como exemplo, o
enriquecimento por nutrientes representa um risco para a saúde humana, uma vez que cria
condições para a proliferação de algas tóxicas, como os blooms de cianobactérias.
Concluindo, o estudo do fitoplâncton e da biomassa (Clorofila-a), associado aos parâmetros
físicos e químicos, permite detectar possíveis alterações na qualidade das águas bem como
avaliar tendências. Além disso, a análise dos níveis de Clorofila pode estabelecer uma
correlação entre a ocorrência das espécies e a biomassa e, desta forma, buscar indicadores
biológicos da qualidade de água.
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3 MODELOS DE QUALIDADE DA ÁGUA: REVISÃO GERAL
No passado, a gestão da qualidade de água era realizada de forma empírica pelas entidades
responsáveis, frequentemente com base em informação científica escassa e análise
inadequada. A necessidade de abordagem científica mais sólida levou ao aparecimento de um
número significativo de modelos de qualidade de água. Assim sendo, muitos destes modelos
foram desenvolvidos para abordar problemas específicos de qualidade de água, relacionados
com condições ambientais ou socioeconômicas particulares.
Atualmente, existem vários modelos de qualidade de água já aplicados em várias regiões do
mundo, os quais são desenvolvidos para vários propósitos (BENEDINI & TSAKIRIS, 2013).
Neste contexto, o objetivo desta seção é apresentar a descrição concisa dos modelos de
qualidade de água mais disseminados para sistemas aquáticos de água doce. A lista dos
modelos abordados é apresentada na Tabela 3.1. Apesar de atualmente existirem dezenas de
modelos disponíveis, a seleção aqui apresentada abrange a diversidade disponível.
Por norma, as principais características consideradas nos modelos listados dizem respeito aos
critérios da sua classificação, tais como: natureza (determinísticos ou estocásticos); tipo de
aproximação utilizada (conceitual, empírica, orientada por processos); tipo de poluentes
considerados (nutrientes, sedimentos, etc.); dimensões (1-D, 2-D ou 3-D) ou área de aplicação
(sistema de rios, água subterrânea, bacia de drenagem, etc.).
Seria praticamente impossível apresentar uma revisão de todos os modelos de qualidade de
água disponíveis com base nestes critérios. Desta forma, neste documento é apresentada uma
revisão representativa de modelos de qualidade de água utilizados extensivamente durante os
últimos anos, conforme apontado por KOX et al. (2003); KANNEL et al. (2010); SPILIOTIS
& TSAKIRIS (2012) e WANG et al. (2013). Além disso, por se adequarem ao trabalho
proposto, são considerados apenas os modelos baseados em processos, que variam em grau de
sofisticação, desde modelos simples de balanços de massa até os modelos mais sofisticados
com hidrodinâmica e cinética dos poluentes.
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Tabela 3.1 – Modelos avaliados no estudo.
Modelo Origem website
CE-QUAL-W2 US Army Corps of Engineers/Portland State University, EUA
http://www.ce.pdx.edu/w2/
MIKE HYDRO River
Danish Hydraulic Institute, Dinamarca
http://www.mikepoweredbydhi.com/products/mike-hydro-river
MOHID Water Instituto Superior Técnico, Portugal
http://www.mohid.com/
QUAL2KW Departamento de Ecologia – Estado de Washington, EUA
http://www.ecy.wa.gov/programs/eap/models.html
SIMCAT Environment Agency, Reino Unido
--
SISBAHIA
Fundação COPPETEC - COPPE/UFRJ, Brasil
(Instituto Aberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia – COPPE - da Universidade Federal do Rio de Janeiro - UFRJ.
http://www.sisbahia.coppe.ufrj.br/
TOMCAT Environment Agency, Reino Unido
--
WASP7 United States Environmental Protection Agency, EUA
http://www.epa.gov/athens/wwqtsc/html/wasp.html
Apresentam-se, nos itens seguintes, alguns dos modelos de qualidade de água mais comuns,
juntamente com a descrição geral das suas características. Inclui-se também um item final
contendo um quadro resumindo as características especiais de cada modelo (Tabela 3.2).
Os modelos analisados são, por ordem alfabética, o CE-QUAL-W2, MIKE HYDRO River,
MOHID WATER, SIMCAT, SISBAHIA, TOMCAT, QUAL2Kw e WASP7. Estes modelos
operam em ambiente windows com interfaces próprias, permitindo a utilização de software de
planilha eletrônica tipo Excel para preparação dos dados a utilizar nas simulações.
3.1 CE-QUAL-W2
O CE-QUAL-W2, conforme COLE & BUCHACK (1995), é um modelo hidrodinâmico
bidimensional (2-D longitudinal-vertical) e de qualidade de água para rios, lagos e estuários,
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desenvolvido pelo Corpo de Engenharia do Exército dos Estados Unidos. Este modelo simula
processos relacionados à eutrofização, como, por exemplo, as relações entre temperatura,
oxigênio, sedimentos, nutrientes e matéria orgânica.
O CE-QUAL-W2 possui parametrização bastante detalhada dos processos químicos em
sistemas aquáticos, assim como elaborada parametrização dos principais processos biológicos
e componentes ecológicos. O modelo assume homogeneidade lateral, método particularmente
adequado a sistemas aquáticos com pouca variação lateral na qualidade da água.
O algoritmo de qualidade da água deste modelo pode incorporar até 21 parâmetros, incluindo
as interações nutrientes-fitoplâncton-oxigênio dissolvido em condições anóxicas (Tabela 3.2).
Este algoritmo é modular e permite acrescentar parâmetros na forma de sub-rotinas
adicionais. Tendo sido desenvolvido originalmente para sistemas de água doce, simula
processos que ocorrem tanto na coluna d’água quanto no sedimento, simulando os fluxos de
matéria entre eles. Este modelo é particularmente adequado a sistemas eutrofizados, por
considerar vários grupos de fitoplâncton nos quais se incluem as cianobactérias.
O CE-QUAL-W2 é um modelo de domínio público, sendo possível baixar o software no site
da Universidade de Portland, local onde está sediado um dos grupos de investigação que mais
tem desenvolvido este sistema de modelagem.
3.1.1 Limitações do modelo
O CE-QUAL-W2 simula uma grande diversidade de constituintes e, como tal, necessita de
quantidade significativa de dados. Este modelo tem também grande número de parâmetros, o
que torna por vezes difícil o exercício da etapa de calibração.
3.1.2 Características positivas
O CE-QUAL-W2 foi desenvolvido especificamente para simular a qualidade de água em
reservatórios, sendo, por isso, um dos modelos mais utilizados para a gestão deste tipo de
sistema (YU et al., 2010; ANNETT et al., 2013; DEUS et al., 2013).
É um modelo que exige baixo poder computacional e tempo de cálculo em suas simulações.
3.2 MIKE HYDRO RIVER
O modelo MIKE HYDRO River é o modelo mais recente desenvolvimento da classe de
modelos MIKE do Denmark Hydrology Institute (DHI, 1996a DHI, 1996b), tendo substituído
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o modelo MIKE 11, conhecido mundialmente, conforme DHI (1993 e 2009). Esta classe de
modelos foi desenvolvida para simulações de qualidade de água em rios e estuários.
O modelo MIKE 11 é um sistema de modelagem versátil e muito divulgado, desenvolvido
originalmente com o objetivo de ajudar na gestão e operação de sistemas complexos de rios e
canais. O modelo é constituído por vários módulos, que podem incluir processos como
pluviosidade, hidrodinâmica, qualidade da água, advecção e dispersão de sedimentos. Estes
módulos podem ser utilizados em combinação ou de forma isolada.
O modelo MIKE HYDRO River segue a mesma aproximação 1-D do MIKE 11, utilizando as
equações de Saint-Venant no cálculo da evolução dinâmica da vazão, nível e transporte de
sedimentos nos rios e vazões. O modelo utiliza também um método implícito no cálculo das
diferenças finitas das equações hidrodinâmicas. Ainda, o modelo começa por simular as
vazões e depois determina o transporte dos solutos e os processos de qualidade da água.
No MIKE HYDRO River a qualidade da água é simulada pelo módulo ECO Lab, cuja
estrutura modular permite ao utilizador definir as variáveis de estado que pretende simular,
assim como definir o conjunto de processos que as alteram no tempo.
O MIKE HYDRO River foi otimizado para modelagem operacional em tempo real e para
previsões de cheias; análise de ruptura de diques; avaliação ecológica de qualidade da água
em rios e zonas úmidas; previsão de qualidade da água e transporte de sedimentos, além de
alterações da morfologia dos rios. O detalhe da sua parametrização, em termos de variáveis de
estado e processos simulados, pode variar significativamente, dependendo dos módulos
em cada simulação.
3.2.1 Limitações do modelo
Conforme GAO & LI (2014), apesar da sua versatilidade, o MIKE HYDRO River exige
elevado volume de dados para as suas simulações, sendo que a falta de alguns dados pode
dificultar seriamente a simulação de alguns parâmetros da qualidade da água. Outra limitação
deste modelo é a sua dependência da acurácia da informação batimétrica.
3.2.2 Características positivas
O modelo MIKE HYDRO River, tal como o seu antecessor MIKE 11, é um modelo avançado
de vazão e qualidade de água. É um modelo com ampla divulgação e promoção pelo DHI,
tendo, por esse motivo, um conjunto detalhado de manuais de apoio e variada gama
de usuários.
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3.3 MOHID WATER
O Modelo Hidrodinâmico (MOHID WATER) é parte do sistema de modelagem MOHID, que
compreende um conjunto de módulos capazes de simular a hidrodinâmica, a qualidade da
água e o transporte de sedimentos.
Atualmente, o modelo MOHID é um software de modelagem integrado da água, podendo
simular a dinâmica de diferentes massas de água, meios porosos e bacias de drenagem.
O sistema MOHID possui modelo hidrodinâmico tridimensional (3-D), igualmente capaz de
reproduzir cenários 2-D.
O modelo MOHID resolve as equações Navier-Stokes, Boussinesq e de Reynolds para o
transporte e nível da água. Para o transporte, difusão e transformação dos constituintes, o
modelo MOHID utiliza o método do volume de controle, calculando, para cada um, as
equações de balanço de massa em todos os intervalos temporais. Esta combinação de métodos
confere maior realismo na simulação dos processos de transporte e permite ligar os processos
de qualidade a diferentes métodos numéricos de cálculo da solução hidrodinâmica.
O sistema MOHID possui vários modelos biogeoquímicos e de qualidade de água que
descrevem a dinâmica dos principais ciclos de nutrientes (nitrogênio e fósforo); grupos de
fitoplâncton e classes de matéria orgânica. Este sistema foi originalmente concebido para
modelar sistemas de estuários e costeiros, incidindo, desta forma, em processos característicos
de sistemas salinos.
O sistema MOHID é um sistema de código aberto, podendo ser aplicado pelos usuários sem
qualquer custo financeiro. O Instituto Superior Técnico (Universidade de Lisboa) é
responsável unicamente pela manutenção e integridade do código.
3.3.1 Limitações do modelo
Apesar da sua capacidade de simular com detalhe o transporte em regime 3-D, o cálculo pode
ser, por vezes, exigente, necessitando de elevado tempo de processamento. Este modelo
apresenta, ainda, insuficiência em manuais de apoio ao usuário.
3.3.2 Características positivas
O modelo MOHID possui construção por módulos, o que permite acrescentar e desenvolver
processos e variáveis de estado à estrutura do modelo, consoante a necessidade do usuário. No
entanto, estes desenvolvimentos exigem conhecimentos de programação por parte do usuário.
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De acordo com DEUS et al., (2013b), em função de seus detalhes na parametrização dos
processos físicos, quando comparado com outros modelos, o MOHID é capaz de simular com
realismos processos hidrodinâmicos horizontais e verticais.
3.4 SIMCAT
O Simulation of Catchments (SIMCAT), originalmente desenvolvido pelo grupo Anglian
Water (WARN, 1987; COX, 2003), é um modelo estocástico unidimensional (1-D) de estado
estacionário. Este modelo tem sido utilizado extensivamente no Reino Unido nas últimas duas
(2) décadas, sendo conhecido por ser uma ferramenta prática de gestão da qualidade de água.
O modelo descreve a qualidade da água de rios por meio de uma bacia utilizando
aproximação de simulações de Monte Carlo, estimando, de forma estatística, o
comportamento da vazão e da qualidade da água.
No SIMCAT o sistema de rios é dividido em trechos cujos comprimentos são definidos pelo
usuário, correspondendo, geralmente, à distância entre tributários ou outros pontos de
interesse. Para cada trecho podem ser definidas vazões difusas, caracterizadas por uma vazão
e cargas de poluentes. O modelo simula cada trecho do rio como um reator de tanque
continuamente agitado (Continually Stirred Tank Reactor, CSTR), assumindo uma mistura
instantânea e perfeita em cada trecho, com os solutos a movimentarem-se à mesma velocidade
da água. Desta forma, o modelo não faz uso de equação advecção-difusão para o transporte.
Os elementos simulados que transitam de um segmento do rio para o seguinte podem ser
conservativos ou possuírem um decaimento de primeira ordem. Estes elementos incluem o
cloro (conservativo); Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO, primeira ordem) e amônia
(primeira ordem).
Os valores de vazão e qualidade são introduzidos no segmento mais a montante do rio, sendo
possível definir tributários, descargas de efluentes e abstrações de água nos demais
segmentos. Como o modelo estocástico utiliza o método de Monte Carlo, os dados de entrada
não são valores discretos e sim uma distribuição estatística para cada constituinte.
3.4.1 Limitações do modelo
O método de modelar a qualidade de água utilizado no SIMCAT é simples e rápido.
Uma das principais limitações da sua parametrização é a incapacidade de permitir
variabilidade temporal e de considerar processos fundamentais como a fotossíntese,
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respiração e carência de oxigênio nos sedimentos. É, portanto, de se esperar que este modelo
não produza resultados satisfatórios para sistemas produtivos.
3.4.2 Características positivas
Ao contrário de outros modelos de qualidade da água, o SIMCAT necessita de um conjunto
de dados relativamente reduzido para a sua implementação. Conforme Crabtree et al., (2006),
este modelo pode ser facilmente aplicado à escala da bacia e utilizado como ferramenta de
avaliação e gestão por técnicos treinados.
3.5 SISBAHIA
O Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental (SISBAHIA) é um modelo que tem sido
desenvolvido desde 1987 pelo Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa
de Engenharia (COPPE) da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). Conforme Cunha
et al., (2006) e Rosman (2011), foi criado para a modelagem de corpos d’água
costeiros e continentais.
Trata-se de um sistema constituído por modelo de circulação hidrodinâmica tridimensional
(3D) ou bidimensional na horizontal (2DH) e um modelo de qualidade da água e eutrofização.
O grupo de equações que governam o SISBAHIA é formado por equações diferenciais
parciais de primeira ordem em relação ao tempo e diferenciais parciais de segunda ordem em
relação ao espaço.
O SISBAHIA é um modelo de transporte euleriano advectivo-difusivo integrado na vertical,
para escalas não-conservativas (sofrem modificação de concentração por meio de processos
físicos, químicos e biológicos).
A qualidade da água é, neste modelo, resolvida pela solução da equação do balanço de massa
para cada substância constituinte do modelo. O modelo de qualidade de água resolve a
equação do balanço de massa para várias substâncias relacionadas, ou seja, resolve um
modelo de transporte euleriano para cada constituinte.
De acordo com Sheng e Villaret (1989), o SISBAHIA resolve a equação de advecção-difusão
para cada substância separadamente, considerando o transporte advectivo, o transporte
difusivo e os processos de transformação.
O modelo de qualidade da água avalia 11 parâmetros de qualidade da água, quais sejam:
Oxigênio Dissolvido (OD); Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO); Temperatura da Água;
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Fósforo Inorgânico; Fósforo Orgânico; Nitrogênio Orgânico; Amônia; Nitrato; Salinidade;
Zooplâncton e Fitoplâncton (Clorofila-a).
3.5.1 Limitações do modelo
Este modelo pode ser utilizado sem restrições para fins acadêmicos e outros fins não
lucrativos. O seu uso com fins comerciais, por outro lado, exige o pagamento de montante
estipulado por acordo com a Fundação que o desenvolve e o gere. Apesar de suas
potencialidades, o SISBAHIA é um modelo pouco utilizado internacionalmente. Desta forma,
é pouco divulgado.
3.5.2 Características positivas
De acordo com Rosman (2013), o SISBAHIA utiliza o método de elementos finitos para a
discretização espacial horizontal, a qual também pode ser feita utilizando elementos finitos
triangulares quadráticos ou uma combinação de ambos os tipos de elementos. Esse método
permite que as unidades básicas de cálculo tenham tamanhos adaptados aos contornos do
domínio, proporcionando ótima representação de reservatórios com limites irregulares.
3.6 TOMCAT
O modelo Temporal Overall Model for Catchments (TOMCAT) foi desenvolvido pela
empresa Thames Waters, no Reino Unido, no início da década de 1980, com o objetivo de
auxiliar no processo de revisão e implementação das normas de qualidade dos efluentes no rio
Tâmisa (BOWDEN & BROWN, 1984; KINNIBURGH et al., 1997; COX, 2003).
O TOMCAT pode ser utilizado para simular as condições atuais de vazão e qualidade de água
no rio, além de avaliar a necessidade de medidas de gestão na bacia para melhorar a
qualidade da água.
O conceito utilizado pelo TOMCAT é semelhante ao SIMCAT, o que significa que este
modelo se baseia no princípio do estado estacionário (CSTR), sendo igualmente estocástico.
No entanto, o SIMCAT permite correlações temporais mais complexas.
As equações que descrevem os processos são também semelhantes às do modelo SIMCAT, à
exceção das equações que simulam a Temperatura da Água e o OD. Neste modelo, a
Temperatura da Água tende a se igualar à Temperatura do Ar e a equação de balanço para o
Oxigênio Dissolvido (OD) incorpora a influência da nitrificação, reareação atmosférica e
oxidação da DBO.
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Os dados de entrada deste modelo podem ser de dois (2) tipos, quais sejam: valores fixos dos
parâmetros físicos e dados de vazão e qualidade.
Os valores de vazão e qualidade são dados na forma de médias e desvios padrão de uma
distribuição normal ou de dados registrados, ou então sob a forma de valores discretos. As
condições de contorno, por sua vez, são definidas utilizando distribuições únicas ou sazonais.
O modelo permite, ainda, definir o número de parâmetros por cada segmento, assim como o
seu comprimento, área média da seção e profundidade.
3.6.1 Limitações do modelo
O modelo TOMCAT é relativamente limitado no que diz respeito aos processos simulados.
No entanto, o fato de permitir utilizar dados estatísticos sazonais confere-lhe maior
potencialidade em relação a outros modelos semelhantes, tal como o SIMCAT. Como este
modelo não inclui fotossíntese, respiração ou qualquer tipo de processo nos sedimentos, não é
adequado para sistemas nos quais estes processos sejam determinantes.
3.6.2 Características positivas
Em virtude de sua representação dos processos ser mais simplista, este modelo necessita de
menos dados de entrada quando comparado a outros modelos semelhantes, como, por
exemplo, o QUAL2E. Desta forma, quando existe limitação de dados, este modelo pode ser
uma alternativa a modelos com o mesmo grau de complexidade. O TOMCAT apresenta,
ainda, a vantagem sobre outros modelos como o SIMCAT ao permitir utilizar dados
estatísticos sazonais, conferindo, assim, mais realismo à solução.
3.7 QUAL2KW
O modelo QUAL2KW (PELLETIER & CHAPRA, 2005) é um modelo desenvolvido como
melhoramento de modelos anteriormente existentes, especificamente o QUAL2E/QUAL2EU
(PARK & LEE, 2002).
O modelo QUAL2KW, tal como os seus antecessores, foi desenvolvido para sistemas de rios
e tributários e para lagos bem misturados. É um modelo 1-D de estado estacionário,
assumindo vazão constante, calculando, no entanto, a qualidade da água de forma dinâmica
para simular a dinâmica diária e o balanço de calor.
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Em relação aos seus antecessores, o modelo QUAL2KW permite definir um rio na forma de
segmentos de comprimento variável, assim como atribuir vários pontos de entrada e abstração
de água em cada um dos segmentos.
Este modelo possui algoritmo genético para realizar a calibração automática das taxas e
constantes que regulam a cinética da qualidade da água.
As simulações do QUAL2KW incluem: Temperatura; pH; Condutividade; Sólidos Suspensos
Inorgânicos; OD; Nitrogênio Orgânico; Amônia; Nitrato; Fósforo Orgânico; Fósforo
Inorgânico; Fitoplâncton; detritos; materiais patogênicos; Alcalinidade; Carbono Inorgânico
Total; biomassa de algas de fundo (perifíton) e Nitrogênio e Fósforo das algas de fundo
(perifíton).
O modelo simula, ainda, fluxos de oxigênio e nutrientes entre o sedimento e a coluna d’água,
ao contrário das versões anteriores nas quais estes valores eram impostos. Neste sentido, o
modelo quantifica a demanda de oxigênio do sedimento, por meio da qual são computados os
fluxos sedimento-água a partir do fluxo descendente de matéria orgânica particulada com
origem na coluna d’água. O Carbono Orgânico, Nitrogênio Orgânico e Fósforo Orgânico dos
sedimentos anóxicos são transformados por mineralização em metano dissolvido, Amônia e
Fósforo Inorgânico, sendo transportados para a camada de sedimento aeróbia contribuindo,
por meio da sua oxidação, para a demanda de oxigênio.
Grande parte dos constituintes deste modelo é calculada por meio de reações de decaimento
de primeira ordem, à exceção do OD, Nitrato e Fosfato, que possuem parametrizações mais
detalhadas.
Os dados de entrada do QUAL2KW incluem localização geográfica da área de estudo; data;
opções de controle da integração numérica; vazão e concentrações das condições de contorno
para o rio, tributários, fontes de poluição difusas e pontuais; comprimento dos segmentos;
elevação; geometria hidráulica (vazão ou equação de Manning para profundidade e
velocidade); Temperatura do Ar; temperatura de ponto de orvalho; velocidade do vento;
cobertura de nuvens de parâmetros de atenuação da luz; radiação solar; evaporação e
parâmetros para a cinética da qualidade da água (taxas e constantes).
3.7.1 Limitações do modelo
Apesar do elevado número de parâmetros e processos simulados, o QUAL2KW é um modelo
1-D de estado estacionário que não permite simular vazão variável no tempo.
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3.7.2 Características positivas
O modelo QUAL2Kw é de uso livre e está bem documentado, sendo particularmente
apropriado devido à sua parametrização para sistemas em que as macrófitas têm papel
importante. Conforme Cristea & Pelletier (2005); Kannel et al. (2007) e Turner et al. (2009),
nos últimos anos tem sido utilizado para modelar a qualidade da água em diferentes sistemas
lóticos.
3.8 WASP7
O modelo WASP7 (AMBROSE et al., 2006; AMBROSE & WOOL, 2009), concebido pela
Agência de Proteção Ambiental Norte Americana, é um melhoramento do modelo original
WASP criado na década de 1970. Este modelo foi desenvolvido para interpretar e prever a
qualidade da água em resposta aos fenômenos naturais e à ação do homem, em uma
perspectiva de apoio à decisão na gestão de recursos hídricos.
O WASP7 é um modelo constituído por compartimentos que incluem a coluna d’água e o
sedimento, podendo ser utilizado para analisar uma variedade de problemas de qualidade de
água em diversos sistemas aquáticos, incluindo rios, lagos, reservatórios, estuários e águas
costeiras.
O WASP7 é um modelo 1-D. No entanto pode ser ligado a modelos hidrodinâmicos e de
transporte de sedimentos, que lhe fornecem vazões, velocidades em profundidade,
temperatura, salinidade e fluxos de sedimentos.
O WASP7 possui: interface intuitiva em ambiente Windows; pré-processador que ajuda o
usuário a formatar os dados que serão utilizados pelo modelo; rotina de alto rendimento
computacional para melhor velocidade de cálculo e pós-processador gráfico para visualização
dos resultados.
As equações que o WASP7 resolve para os parâmetros da qualidade da água baseiam-se no
princípio da conservação de massa, representando as três (3) principais classes de processos
de qualidade da água: transporte, carga e transformação. Desta forma, o WASP7 controla a
evolução temporal e espacial de cada parâmetro desde o seu ponto de origem até ao seu ponto
de saída do sistema, conservando massa. Para o cálculo da variação temporal e espacial da
concentração de cada parâmetro, o WASP7 utiliza o método das diferenças finitas em cada
segmento da sua geometria computacional.
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O modelo WASP7 simula, ainda, o transporte e as reações de transformação de 10 a 14
variáveis de estado, tendo este número aumentado a cada nova versão do modelo
(AMBROSE et al., 1993; WOOL et al., 2001).
Atualmente, as variáveis de estado do WASP7 incluem: OD; Nitrogênio (Orgânico, Amônia,
Nitrito e Nitrato); Fósforo (Orgânico, Inorgânico); fitoplâncton e perifíton; detritos
particulados (Carbono, Nitrogênio, Fósforo); Carência Bioquímica de Oxigênio Carbonatada
(CBDO); Temperatura; Salinidade; bactérias coliformes; Sílica; sedimentos coesivos;
sedimentos não-coesivos; diagênese de sedimentos; traçadores conservativos; pesticidas;
químicos orgânicos, Mercúrio, metais pesados e sólidos inorgânicos (WOOL et al., 2001;
AMBROSE et al., 2006)
Para rodar este modelo são necessários os seguintes conjuntos de dados: controle do output;
informação sobre os segmentos da geometria do modelo; concentrações nas condições de
contorno; cargas das fontes poluentes (difusas e pontuais); parâmetros cinéticos; constantes;
séries temporais de vazão e concentrações iniciais.
3.8.1 Limitações do modelo
Uma das limitações do WASP7 é a sua incapacidade em simular zonas de mistura, assim
como a necessidade de um esforço extensivo para o conectar a modelos hidrodinâmicos
multidimensionais. Este modelo necessita também de volume significativo de dados para o
esforço de calibração e validação.
3.8.2 Características positivas
Dependendo do interesse do usuário, o modelo pode ser rodado em 1-D, 2-D ou 3-D. Este
modelo é particularmente útil para modelar químicos orgânicos, podendo simular 25 formas
de cada químico orgânico.
Nos últimos anos tem sido utilizado para simular nutrientes, pesticidas, compostos orgânicos
e metais pesados em lagos e sistemas costeiros (RYGWELSKI et al., 1999; STANSBURY &
ADMIRAAL, 2004).
3.9 RESUMO
A Tabela 3.2 aponta o resumo das características especiais de cada modelo aqui descrito.
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Tabela 3.2 – Comparação dos vários modelos descritos (sumário das principais características).
Modelos CE-QUAL-W2 MIKE HYDRO River MOHID QUAL2KW SIMCAT SISBAHIA TOMCAT WASP7
Tipo 2-D, dinâmico 1-D, dinâmico 1-D, 2-D, 3-D,
dinâmico 1-D, vazão fixa
1-D, estado
estacionário,
estocástico
1-D, 2-D, 3-D,
dinâmico
1-D, estado
estacionário 1-D, dinâmico
Método de modelagem EAD, segmentos de
comprimento variável
EAD, segmentos de
comprimento variável
Malha regular,
elementos finitos
EAD, segmentos de
comprimento variável RTCA
Malha não estruturada,
diferenças finitas RTCA
EAD, compartimentos
dinâmicos
Processos / ciclos dos elementos O, C, N, P, Si, Fe Depende dos módulos
utilizados O, N, P O, C, N, P O, N O, N, P O, N O, N, P
Capacidade de modelagem /
variáveis de estado
Temperatura, pH, N
(NO, NO2, NO3, NH3),
P (PO, PO4), OD, CIT,
CBDO, alcalinidade,
fitoplâncton, detritos,
vários grupos de
fitoplâncton (Clorofila-
a)
Parâmetros definidos
pelo usuário
(módulo ECO Lab)
Temperatura, OD,
DBO, N (NO, NO2,
NO3, NH3), P (PO,
PO4), salinidade,
fitoplâncton
(Clorofila-a)
Temperatura, pH, N
(NO, NO2, NO3, NH3),
P (PO, PO4), OD, CIT,
CBDO, alcalinidade,
fitoplâncton, detritos,
patogênicos
OD, amônia,
parâmetros
conservativos
definidos pelo usuário
Temperatura, OD,
DBO, N (NO, NO2,
NO3, NH3), P (PO,
PO4), salinidade,
fitoplâncton
(Clorofila-a)
OD, amônia, cloro,
parâmetros
conservativos
definidos pelo usuário
Temperatura, pH, N
(NO, NO2, NO3, NH3),
P (PO, PO4), OD,
CBDO, salinidade,
coliformes, sílica,
pesticidas, QUIMO
Vantagens Otimizado para
reservatórios
Material de suporte e
apoio
Descrição dos
processos
hidrodinâmicos
Auto-calibração Simulações rápidas
com poucos dados
Adaptação da malha
computacional a
geometrias complexas
Simulações rápidas
com poucos dados
Poluição orgânica e
por metais pesados
Limitações Exige grandes
quantidades de dados
Exige grandes
quantidades de dados Tempo de cálculo
Não simula os braços
de rio Muito simples Pouco divulgado Muito simples
Exige grandes
quantidades de dados
Legenda: C – Carbono; CBDO – Carência Bioquímica de Oxigénio Carbonatada; CIT – Carbono Inorgânico Total; EAD – Equação de advecção-dispersão; N – Nitrogênio; NO – Nitrogênio Orgânico; O – Oxigênio; OD –
Oxigênio Dissolvido; P – Fósforo; PO – Fósforo Orgânico; QUIMO – Químicos Orgânicos; RTCA – Reator de Tanque Continuamente Agitado; Si – Sílica.
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22
4 ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA
4.1 CONSIDERAÇÕES
Os modelos de qualidade da água atualmente disponíveis, sejam eles de domínio público ou
comerciais, apresentam variada gama em termos de processos simulados; necessidade de
dados de entrada; capacidade de modelagem e limitações. Esta diversidade e abrangência,
descrita na seção anterior, não significa que todos apresentam as características necessárias
para a adequada modelagem de processos de eutrofização em reservatórios.
A análise dos modelos aqui apresentada considera apenas aqueles que obedecem a critérios
relativos à adequação ao trabalho proposto; que são sistematicamente utilizados e que têm
elevada disseminação nas comunidades científicas e entre gestores de meio ambiente. Assim,
os modelos escolhidos para esta análise são o CE-QUAL-W2; MOHID; SISBAHIA;
QUAL2KW e WASP7.
Fora desta avaliação ficam os modelos SIMCAT e TOMCAT, uma vez que são muito simples
para descrever os processos que se pretendem estudar.
O modelo MIKE HYDRO River, por sua vez, também foi descartado, uma vez que, ao
contrário dos modelos SIMCAT e TOMCAT, é um modelo com grande detalhe de
parametrização dos processos de qualidade da água, orientado, no entanto, para modelar
sistemas de rios e canais onde a escassez de água não é um problema recorrente. Da mesma
forma, os processos para os quais está otimizado não consideram a estratificação térmica
típica de climas subtropicais e tropicais.
A hierarquização dos modelos baseia-se na avaliação da sua capacidade e consequente
ordenação por relevância no âmbito dos resultados que se esperam.
A hierarquização dos modelos a serem analisados permite avaliar suas várias características,
desde a sua parametrização até o seu preço de utilização, avançando, assim, com a ordenação
de relevância para este trabalho. Ressalta-se, conforme Obropta et al. (2008), que existem
diferenças significativas entre os modelos e os seus resultados devido às diferenças de
filosofia de modelagem e algoritmos utilizados. Estas diferenças levam, consequentemente, a
diferentes resultados que dificilmente podem ser comparados entre si
Assim sendo, a hierarquização é, portanto, realizada atendendo a diferentes critérios que
exploram as especificações de cada modelo sugerido, na sua pertinência e adequação ao plano
de trabalhos.
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23
4.2 CRITÉRIOS DE AVALIAÇÃO
Para cada tópico em análise é feita a comparação geral entre os modelos, salientando os que
se destacam pela melhor avaliação em cada critério. São também discutidas as limitações dos
demais modelos sempre que for considerado útil para expressar as diferenças entre eles.
Para ajudar a compreender a relação entre os modelos dentro de cada critério são apresentadas
na Tabela 4.1 as características detalhadas de cada modelo, para cada item avaliado.
Tabela 4.1 – Avaliação dos modelos: matriz comparativa dos critérios utilizados.
Critério CE-QUAL-W2 MOHID QUAL2Kw SISBAHIIA WASP7
Parametrização do modelo
Ciclos O, N, P Sim
(bastante detalhe) Sim Sim Sim Sim
Ciclo C Sim - Sim - -
Clorofila-a
Sim, para cada
grupo de
fitoplâncton (4)
Sim Sim Sim Sim
Cianobactérias Sim - - - -
pH Sim - Sim - Sim
Processos no sedimento Sim
(detalhado) - Sim -
Sim
(detalhado)
Hidrodinâmica
Dimensões espaciais 2-D, longitudinal-
vertical
2-D, 3-D,
dinâmico
1-D, vazão
fixa
1-D, 2-D, 3-
D, dinâmico 1-D
Interface
Ambiente Windows Sim Sim Sim Sim Sim
GUI Sim, de fácil
utilização Sim Sim
Sim, de fácil
utilização Sim
Linha de comando (DOS) Sim Sim - - -
Materiais de suporte
Manuais Sim, detalhado Sim, disperso
e insuficiente Sim Sim Sim
Exemplo de simulação Sim - - - Sim
Suporte técnico
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Critério CE-QUAL-W2 MOHID QUAL2Kw SISBAHIIA WASP7
Fóruns de usuários Sim Sim Sim Não Sim
Prestado pelo desenvolvedor Sim, porém
limitado - - Sim -
Número de aplicações
Quantidade Elevada Média Elevada Baixa Elevada
Tipo de sistemas Reservatórios
Sobretudo
marinhos e
costeiros
Lagos,
pequenas
massas de
água
Sobretudo
marinhos e
costeiros
Lagos,
pequenas
massas de
água
Publicações
Quantidade Elevada Significativa Significativa Baixa Elevada
Locais de aplicação
Todo o mundo,
com forte
incidência nos
Estados Unidos e
na China
Todo o
mundo
Todo o
mundo
Sobretudo
Brasil
Todo o
mundo
Custo
Tipo de software Uso livre Uso livre,
código aberto Uso livre - Uso livre
Pago para exploração
comercial - - - Sim -
4.2.1 Parametrização do modelo
A análise do detalhe da parametrização de um modelo corresponde, essencialmente, à
avaliação da sua adequação para determinada função.
A parametrização do modelo diz respeito ao conteúdo do seu código e à forma como este
descreve os processos que pretende simular. Assim sendo, a parametrização pode variar
consideravelmente entre modelos, dependendo dos processos incluídos, do número de
parâmetros considerados e do detalhe da formulação matemática utilizada. Portanto, os
modelos distribuem-se em uma classificação de menos complexos a mais complexos.
A complexidade dos modelos pode ser uma vantagem porque:
– pode significar um maior número de processos que o modelo simula; e,
– torna o modelo menos subordinado a um ou poucos fatores.
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A maior complexidade também pode representar uma dificuldade acrescida à sua utilização,
nomeadamente numa maior dependência de dados para rodar o modelo e posterior
análise dos resultados.
Nem sempre maior complexidade na parametrização significa que o modelo seja melhor do
que outros menos complexos. Mais relevante que a complexidade é a sua adequação ao
trabalho que se pretende realizar.
De forma objetiva, um modelo é adequado quando é capaz de dar as respostas pretendidas,
simulando os principais processos do sistema em estudo. Alguns modelos são desenvolvidos
para sistemas particulares, como, por exemplo, lagos e estuários, o que significa que a sua
utilização pode ficar comprometida em sistemas com características físicas, químicas e
biológicas diferentes.
Para a avaliação da parametrização dos modelos em análise foram definidos alguns critérios.
Dessa forma, o modelo mais adequado entre os avaliados será, para este critério, aquele que
tiver maior número das características elencadas, não necessariamente a maior complexidade
de parametrização. Estas características são apresentadas a seguir.
– Simular os ciclos do Oxigênio (O), Nitrogênio (N) e Fósforo (P) Estes ciclos
devem incluir o efeito da carga orgânica no consumo de oxigênio assim como devem
considerar as principais formas de N e P orgânicos e inorgânicos.
– Simular o ciclo do Carbono (C) A inclusão explícita do ciclo do carbono confere
maior realismo às simulações da qualidade de água, devido à relação do ciclo do
Carbono com o ciclo do Oxigênio.
– Ter resultados de Clorofila-a para o fitoplâncton e não apenas a concentração em
biomassa Este parâmetro é fundamental para o processo de calibração e validação
do modelo, uma vez que a Clorofila-a é um dos dados de campo mais frequente e
importante nos programas de monitoramento da qualidade da água.
– Incluir cianobactérias como um dos grupos de fitoplâncton simulados Alguns
modelos possuem apenas um grupo geral de fitoplâncton, enquanto outros modelos
têm vários. Independentemente do número de grupos de fitoplâncton, a modelagem
explícita de cianobactérias é uma característica fundamental para avaliação dos
modelos, uma vez que constituem um grupo que está associado a problemas de
eutrofização.
– Ter um algoritmo que inclua o pH e o seu efeito na química da água, dada a sua
importância na concentração de algumas formas tóxicas de compostos de Nitrogênio.
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– Parametrização detalhada dos processos nos sedimentos e cálculo do fluxo de matéria
(compostos orgânicos, nutrientes e oxigênio) na interface água-sedimento.
4.2.2 Hidrodinâmica
A hidrodinâmica, conjunto de processos físicos que determinam o movimento vertical e
horizontal da água, tem um impacto determinante na qualidade da água, pois controla
processos como a difusão, a diluição, a dispersão de substâncias e o tempo de residência da
água em zonas específicas do reservatório. Por estes motivos, é relevante avaliar a capacidade
dos modelos reproduzirem corretamente os principais padrões de circulação do sistema em
estudo, sendo este um critério importante na sua escolha.
Alguns modelos, desenvolvidos exclusivamente para o estudo da influência de processos
químicos e biológicos na qualidade da água, não possuem a capacidade de simular, de igual
forma, os processos físicos. São exemplos os modelos desenvolvidos para sistemas lagunares.
Estes modelos necessitam, então, ser ligados a um modelo físico de transporte para, assim,
serem capazes de simular também o papel da hidrodinâmica na qualidade da água. Esta é,
aliás, uma característica encontrada em vários modelos atuais de qualidade da água. Por
norma, a ligação de um destes modelos a um modelo hidrodinâmico é uma tarefa que adiciona
alguma dificuldade ao exercício da modelagem.
Há, ainda, outros modelos que consideram os processos físicos, possuindo módulo
hidrodinâmico. Este módulo pode reproduzir a circulação num referencial unidimensional
(1D), bidimensional (2D) ou tridimensional (3D), dependendo do tipo de sistemas a que se
destinam, como, por exemplo, rios, reservatórios ou estuários.
Ainda, existe uma variedade de métodos numéricos para o cálculo do transporte e dispersão
ou integração da malha de computação, como, por exemplo, utilizando elementos finitos
triangulares quadráticos, diferenças finitas e etc. No entanto, os métodos numéricos não são,
necessariamente, comparados entre os modelos, pois a vantagem de um método particular
sobre outro só pode ser feita com base em critérios muito específicos, tais como velocidade de
cálculo e exatidão na solução numérica. Por esse motivo, estes critérios estão fora do âmbito
da presente avaliação.
4.2.3 Interface gráfica
A interface GUI (Graphical User Interface) determina frequentemente a facilidade de
utilização de um modelo, já que permite a interação com o software por meio de elementos
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gráficos (indicadores visuais, ícones etc.) em lugar da utilização de uma interface em linha de
comando (tipo MS-DOS). É por meio da interface que o usuário prepara as simulações;
escolhe as diferentes opções disponibilizadas pelo modelo; executa os vários comandos de
processamento dos dados e simulação e visualiza os resultados.
A interface GUI é um elemento determinante em um modelo, já que pode simplificar a
implementação e utilização, tarefa frequentemente complexa devido à quantidade de dados de
entrada necessários, número de parâmetros a definir, opções disponíveis para as simulações e
meios de visualização dos resultados.
Em alguns modelos é possível trabalhar os arquivos de entrada e executar as simulações
utilizando unicamente a interface, sem necessidade de pré-processamento adicional com
outro software.
Ainda assim, existem modelos cuja interface tem funcionalidade em parte de seu uso, sendo
necessário software adicional para utilizar o modelo. É também comum os modelos terem
uma GUI mas permitirem, em simultâneo, a sua utilização por meio da interface de
linha de comando.
4.2.4 Materiais de suporte
Os modelos numéricos, como qualquer outro tipo de software, devem ter documentos
descritivos e detalhados da sua arquitetura e parametrização, assim como manuais de apoio ao
usuário. Esta literatura de suporte é fundamental para sua utilização.
O detalhe e a qualidade dos manuais variam significativamente entre modelos.
Frequentemente, os modelos comerciais são os que apresentam literatura de suporte mais
detalhada, visto serem continuamente desenvolvidos e, por questões de qualidade do produto,
são devidamente documentados. Da mesma forma, os modelos desenvolvidos por órgãos
públicos são frequentemente acompanhados de literatura de suporte adequada, principalmente
devido às obrigações legais impostas ao software.
Por outro lado, o software desenvolvido por grupos ligados a atividades de pesquisa e
desenvolvimento são os mais deficitários nesta matéria. Uma das limitações destes modelos
deriva do fato de serem desenvolvidos por comunidade de usuários e de não existir norma
quanto ao método de registro e descrição dos desenvolvimentos do código.
Por norma, poder-se-á dizer que a quantidade e qualidade de material de suporte é um bom
indicador da robustez e coerência do modelo.
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4.2.5 Suporte técnico
Fornecer suporte técnico aos usuários é uma prática frequente entre os desenvolvedores de
software e produtos computacionais comerciais. Este suporte visa prestar apoio para a
utilização dos produtos. O suporte pode variar em forma e pode incluir a manutenção de
fóruns online. Pode também ser feito via correio eletrônico ou até mesmo por contato
telefônico.
O suporte técnico poderá implicar no pagamento de serviço ou custo permanente. Os modelos
comerciais fornecem, frequentemente, suporte comercial como parte do produto.
4.2.6 Número de usuários e de aplicações
O número de usuários e a variedade de aplicações de um determinado modelo são
indicadores, ainda que indiretos, da sua aceitação, disseminação e do seu valor. Um número
de usuários ou aplicações elevado pode significar que o modelo é robusto, como também pode
indicar que é devidamente disseminado e que possui boa estrutura de divulgação e apoio.
Por norma, são os desenvolvedores do modelo que divulgam as suas aplicações por meio dos
seus sítios na internet, como estratégia de promoção e publicidade do seu produto. Significa
isto que este critério, ainda que útil na avaliação de um modelo, é subjetivo e limitado.
4.2.7 Publicações
O impacto de um modelo é um dos principais critérios em sua avaliação. O meio mais
objetivo para avaliar este impacto consiste na determinação do número de publicações em
revistas científicas onde é feita referência à aplicação desse mesmo modelo.
Um elevado número de artigos que descrevem a aplicação de um modelo é indicador da sua
larga aceitação pela comunidade científica e, ao mesmo tempo, revela sua confiabilidade e
robustez. Esta informação pode ser obtida por meio de portais de ciência que indexam
milhares de artigos publicados em jornais científicos de todas as disciplinas.
O número de publicações em revistas científicas, por si só, não é um valor absoluto, só tendo
expressão quando comparado ao mesmo cálculo feito para outro ou outros modelos. Neste
contexto, é fundamental aferir se a referência ao modelo é feita em campos relevantes das
publicações, tais como título, sumário ou palavras-chave, uma vez que assim se determina se
o artigo diz respeito ao uso de determinado modelo e não que o modelo é apenas
mencionado no texto.
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4.2.8 Custo
Um modelo numérico ou software de modelagem, sendo um produto sujeito a propriedade
intelectual de um programador, grupo de investigação, empresa ou outra qualquer
organização, pode ter um custo associado. Isto depende do modo como é disponibilizado,
sendo as formas mais habituais listadas a seguir.
Código aberto: o código do modelo é disponibilizado na internet para o usuário baixar
e compilar em seu computador.
Freeware: o usuário baixa o modelo (executável) para instalação e utilização.
Produto comercial: o usuário adquire o software do fabricante que depois o torna
disponível para instalação e utilização.
Licença: o usuário pode baixar e instalar o modelo, mas necessita comprar a licença
para a sua utilização ou para ter acesso a determinadas opções ou funcionalidades.
Com a exceção do código aberto e do freeware, existe um custo para o usuário do modelo.
Em alguns casos, os modelos comerciais podem ser utilizados para investigação e ensino sem
qualquer custo, mas não para utilização num contexto comercial.
Ter um código aberto é uma vantagem para o modelo, uma vez que permite que vários
usuários possam contribuir para o seu desenvolvimento e manutenção. Ao mesmo tempo, esta
oportunidade pode criar dificuldades em manter os mesmos desenvolvimentos registrados em
manuais do usuário. O software comercial, por outro lado, não permite esta evolução
constante do código, podendo implicar, por sua vez, que o modelo é devidamente descrito por
manuais, assim como garantir a robustez de cada nova versão do software que é
disponibilizada pelo desenvolvedor.
4.3 AVALIAÇÃO DOS MODELOS CONSIDERADOS
4.3.1 Parametrização do modelo
Entre todos os modelos selecionados para análise, o CE-QUAL-W2 é o que apresenta
parametrização mais detalhada dos processos, apontando todas as características enumeradas
como relevantes no que diz respeito à parametrização dos modelos. Esta característica do CE-
QUAL-W2 é particularmente importante, uma vez que este modelo foi desenvolvido
especificamente para simular os processos de qualidade de água em reservatórios.
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Posteriormente, aparecem os modelos QUAL2KW e WASP7, também desenvolvidos para
sistemas aquáticos de água doce, com parametrização mais detalhada dos processos químicos
típicos destes sistemas. Salienta-se, no entanto, que nenhum destes modelos apresenta as
cianobactérias como variável de estado, o que é limitante para a sua aplicação em sistemas
enriquecidos com nutrientes e onde este grupo é frequentemente encontrado.
Finalmente, no que se refere à parametrização, os modelos MOHID e SISBAHIA são os que
menos se adequam a sistemas de água doce, dado terem sido desenvolvidos originalmente
para sistemas costeiros e sistemas de transição, como, por exemplo, estuários.
Embora todos os modelos considerem os processos que ocorrem nos sedimentos e os fluxos
de massa na interface água-sedimento, os modelos CE-QUAL-W2 e WASP7 possuem
parametrização mais detalhada destes processos, sendo, por isso, mais adequados aos casos de
estudo deste trabalho.
4.3.2 Hidrodinâmica
A diversidade de maneiras de resolver o transporte e dispersão entre os modelos apresentados
é significativa, variando desde o mais simples (1-D), no modelo WASP7, até à simulação do
transporte em um referencial 3-D, como no caso dos modelos MOHID e SISBAHIA. Ambos
apresentam, ainda, a vantagem de representar com detalhe a geometria do sistema modelado
ao utilizarem os métodos das diferenças finitas com malha de geometria regular (MOHID) e
elementos finitos triangulares quadráticos (SISBAHIA) na representação da malha
computacional. O modelo CE-QUAL-W2, por sua vez, apenas simula o transporte em 2-D,
não sendo tão versátil quanto os anteriores na representação de processos hidrodinâmicos.
Ainda que seja questionável a necessidade de um modelo 3-D na simulação de processos de
transporte em reservatórios, a capacidade do modelo em simular tais processos é considerada
uma vantagem nesta avaliação. Por esse motivo, os modelos MOHID e SISBAHIA têm
melhores classificações que o modelo CE-QUAL-W2. Convém, no entanto, salientar que esta
vantagem pode apresentar uma limitação na utilização do modelo se as simulações ficarem
limitadas pela necessidade de maior capacidade de processamento ou tempo de cálculo. Este
fator não é avaliado aqui, pois apenas pode ser devidamente realizado aplicando os diferentes
modelos no mesmo cenário e comparando o uso dos mesmos recursos computacionais.
O modelo MOHID apresenta maior versatilidade na modelação hidrodinâmica, quando
comparado aos demais modelos em análise, dado ter sido originalmente desenvolvido para
sistemas estuarinos e costeiros, nos quais os processos hidrodinâmicos tridimensionais são
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determinantes. No entanto, esta característica só se torna pertinente quando o transporte
advectivo é relevante como, por exemplo, quando a área da superfície tem uma grande
dimensão e o fetch do vento se torna significativo. O WASP é o modelo mais limitado em
relação à hidrodinâmica por não possuir parametrização dos processos físicos de transporte.
Ainda que este modelo possa ser ligado a um modelo hidrodinâmico, esta tarefa representa
um esforço adicional que dificulta a sua eficiente utilização.
4.3.3 Interface gráfica
O SISBAHIA é o modelo que apresenta interface mais intuitiva para utilizar o modelo e
visualizar os resultados. Paralelamente, o CE-QUAL-W2 possui interface nativa que permite
utilizar o modelo com relativa facilidade, sendo possível utilizar este modelo com uma
interface GUI desenvolvida pela comunidade de usuários. Esta interface permite um controle
melhor da preparação e execução das simulações, assim como da visualização e exploração
dos resultados do modelo.
Os demais modelos em análise possuem interface razoável, embora não tão simples e de fácil
de utilização. O modelo MOHID possui solução alternativa para interface nativa do modelo,
na forma de software comercial, desenvolvido e disponibilizado por meio do pagamento de
licença de utilização.
Todos os modelos em análise permitem visualizar os resultados por meio da utilização do seu
software nativo. Tanto o modelo MOHID quanto o modelo CE-QUAL-W2 possuem versões
adicionais de software comercial para exploração dos resultados, como, por exemplo,
visualização melhorada, gerador de gifs animados e georreferenciação, tendo, por isso, um
custo de aquisição.
4.3.4 Materiais de suporte
Todos os modelos possuem manuais de utilização para suporte dos usuários. Estes manuais
estão acessíveis por meio de consultas em páginas da Internet, nos portais das entidades
responsáveis por cada modelo. O modelo CE-QUAL-W2 é o que está melhor documentado e
descrito em manuais, fornecendo melhor apoio ao usuário.
O modelo MOHID é um modelo continuamente desenvolvido por comunidade de usuários em
todo o mundo, sendo, por isso, o modelo que se apresenta mais deficitário no que se refere ao
material de suporte ao usuário. Sendo um modelo altamente complexo em termos de estrutura
e com elevado número de processos, os documentos que descrevem a sua arquitetura e
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parametrização encontram-se dispersos por várias fontes. Além desta dificuldade, o modelo
não possui manual.
Os modelos CE-QUAL-W2 e WASP7 fornecem, juntamente com a literatura que explica a
sua parametrização e funcionamento, exemplos de simulações preparadas para serem rodadas
pelo usuário inexperiente. Estas simulações contêm todos os arquivos necessários e
devidamente formatados, assim como os valores dos vários parâmetros definidos para que os
modelos possam ser aplicados em caso de exemplo.
Por fim, o SISBAHIA possui também boa descrição da sua estrutura e utilização, embora esta
não seja tão detalhada quanto a dos modelos CE-QUAL-W2 e WASP7.
4.3.5 Suporte técnico
O SISBAHIA é o único modelo que faz referência ao apoio técnico direto no seu sítio da
internet. Este apoio, no entanto, é feito sob a forma de serviço, pelo que as suas condições têm
de ser definidas entre a FUNCEME e os responsáveis pelo modelo.
Tanto o CE-QUAL-W2 como o MOHID têm um fórum online. Nestes casos não há garantia
de resposta direta ou imediata por parte da equipe que desenvolve o modelo. Em especial, a
respeito exclusivamente do modelo CE-QUAL-W2, é ainda possível contatar diretamente o
responsável pela manutenção do código e obter feedback sempre que algum problema é
detectado pelos usuários.
4.3.6 Número de aplicações
O modelo CE-QUAL-W2 é, sem dúvida, aquele que conta com maior número de aplicações
mencionadas em relatórios, artigos e documentos técnicos. Um dos principais motivos da sua
utilização mais intensiva pode estar relacionado a sua origem no United States Army Corps of
Engineers, que nas últimas décadas o tem utilizado no estudo e gestão de inúmeros
reservatórios nos Estados Unidos. Além da sua aplicação nos Estados Unidos, este modelo
possui número considerável de aplicações em todo o mundo, salientando-se países como a
China, onde a proliferação de reservatórios de médias e grandes dimensões tem se
intensificado nas últimas décadas.
Os modelos QUAL2KW e WASP7 contam também com várias aplicações em todo o mundo,
embora neste caso se deva a sua capacidade de simular processos de poluição em lagos e
pequenos corpos d’água.
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O modelo MOHID tem uma comunidade de usuários por todo o mundo, sobretudo em
sistemas costeiros, o que confere um número significativo de aplicações deste modelo,
algumas delas resumidas por MATEUS & NEVES (2013).
O SISBAHIA, por outro lado, é o modelo com menor número de aplicações registradas, sendo
quase a totalidade de suas aplicações feitas em território brasileiro.
4.3.7 Publicações
Conforme Figura 4.1, a pesquisa realizada no portal ScienceDirect
(http://www.sciencedirect.com/) mostra que o modelo que é referido em maior número de
artigos é o CE-QUAL-W2, seguido do WASP7, MOHID, QUAL2KW e, por fim, o
SISBAHIA. A pesquisa foi realizada considerando os seguintes critérios: publicações do tipo
artigo, comunicação breve e discussões, desde 1990 até à atualidade e presença do nome do
modelo em todo o documento ou apenas no título, resumo e palavras-chave.
Figura 4.1 – Publicações até a data dos modelos em estudo
por pesquisa no portal ScienceDirect.
Devido ao elevado volume de publicações de cada modelo, considera-se desnecessário
apresentar sua lista. No entanto, é útil salientar alguns artigos recentes relacionados com cada
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um dos modelos para, dessa forma, indicar a natureza da sua utilização. Esta listagem é
apresentada na Tabela 4.2.
Tabela 4.2 – Resumo de referências bibliográficas de cada um dos modelos em análise.
Modelo Referência
CE
-QU
AL
-W2
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8. Roohollah Noori, Hund-Der Yeh, Khosro Ashrafi, Najmeh Rezazadeh, Sayed M. Bateni,
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35
Modelo Referência
MO
HID
Wa
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QU
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2K
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Reservatórios do Estado do Ceará – Estudo de Viabilidade e
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SIS
BA
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Qualidade de Água para os Reservatórios do Estado do Ceará
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WA
SP
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4.3.8 Custo
Todos os modelos, com exceção do SISBAHIA, são de domínio público e podem ser
instalados e utilizados para qualquer tipo de uso, incluindo a utilização para fins comerciais.
A sua utilização não requer qualquer tipo de acordo entre os usuários e os responsáveis pelo
seu desenvolvimento.
A política do modelo SISBAHIA, por outro lado, implica na participação prévia dos
responsáveis pelo desenvolvimento do modelo sempre que este for utilizado para fins
comerciais, de modo a estabelecer um acordo entre as partes envolvidas.
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O modelo MOHID é de código aberto, o que significa que o seu código pode ser desenvolvido
ou modificado pelo usuário. Os demais modelos, especificamente o CE-QUAL-W2,
QUAL2Kw e o WASP7 são gratuitos, não tendo seus códigos disponibilizados por meio do
portal das entidades que os desenvolvem.
De forma geral, não existem diferenças significativas entre os modelos quanto à viabilidade
econômica da sua utilização. Três (3) dos modelos não implicam qualquer custo de aquisição
do software. Além disso, a documentação fornecida pelos autores e disponibilizadas na
internet permite que o usuário consiga usar as potencialidades de cada modelo sem
necessidade de apoio técnico da equipe que o desenvolveu.
Com relação aos dados necessários para a utilização dos modelos, devidamente elencados no
Relatório 1 – “Proposição de um Sistema de Monitoramento da Qualidade da Água Visando
à Modelagem”, os custos associados à aquisição de dados coletados em programas ou redes
de monitoramento, ou obtenção de novos dados por meio do uso de novos programas ou
redes, é equivalente para todos os modelos considerados. Apesar de variarem em número de
parâmetros simulados, todos os modelos possuem conjunto semelhante de variáveis
fundamentais para o seu funcionamento e que correspondem, por norma, aos parâmetros
visados nos programas de monitoramento.
Modelos como o CE-QUAL-W2 e o WASP7 podem se beneficiar da existência de mais
parâmetros nos programas de monitoramento. Ainda assim, é possível utilizar estes modelos
de forma robusta, com os dados habituais de programas de monitoramento (por exemplo:
Clorofila-a, Fósforo Total, Nitrogênio Total, Oxigênio Dissolvido). Os valores para os
restantes parâmetros podem ser estimados ou aferidos por meios indiretos, como, por
exemplo, por meio de outros estudos ou relações estequiométricas.
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Hierarquização dos Modelos Identificados e Avaliados
40
5 HIERARQUIZAÇÃO DOS MODELOS PRÉ-SELECIONADOS
5.1 SISTEMA DE HIERARQUIZAÇÃO
Os modelos propostos são comparados entre si, obtendo-se, assim, uma avaliação relativa que
pontua cada um dos critérios de avaliação. A pontuação é relativa, variando entre um (1) e
quatro (4) para cada critério, sendo este último número aquele referente ao número de
modelos considerados. Isto significa que os modelos são ordenados do pior (1) ao melhor (4)
em cada critério. Uma pontuação semelhante significa que os modelos são iguais em um
determinado critério.
Considerando que os critérios não apresentam a mesma preponderância e de modo a
considerar adequadamente a importância de determinados critérios, como, por exemplo, a
adequação do modelo, foi estabelecida a seguinte ponderação no cálculo da pontuação final:
Avaliação = (0.5 x A) + (0.2 x B) + (0.2 x C) + (0.1 x D)
Em que:
A = adequação do modelo, corresponde à soma das avaliações da parametrização do
modelo e da hidrodinâmica;
B = facilidade de utilização, corresponde à soma das avaliações da interface,
visualização dos resultados, materiais de suporte e suporte técnico;
C = notoriedade, corresponde à soma das avaliações do número de aplicações e
publicações; e,
D = custo, corresponde à avaliação do preço do modelo.
Desta forma, no cálculo final, a adequação do modelo tem um peso de 50%; a facilidade de
utilização 20%, a notoriedade 20% e o preço 10%. Juntamente com o texto descrito na seção
anterior, os detalhes de cada critério avaliado podem ser observados na Tabela 4.1, para uma
melhor compreensão do valor atribuído a cada modelo em cada critério ponderado na
hierarquização.
O resultado desta avaliação é uma hierarquização dos modelos, desde o mais adequado
(pontuação mais elevada) até ao que menos se adequa ao programa de trabalhos (menor
pontuação).
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41
5.2 RESULTADOS DA AVALIAÇÃO
A avaliação dos modelos de acordo com os critérios apresentados anteriormente é apresentada
na Tabela 5.1.
A soma dos valores obtidos para cada critério indica que o modelo CE-QUAL-W2 possui
perfil que melhor se adequa ao trabalho proposto.
Com base nesta avaliação, a hierarquização dos modelos, por ordem de relevância, é: CE-
QUAL-W2 (9,1 pontos), QUAL2Kw e WASP7 (ambos com 6,1 pontos), SISBAHIA (5,9
pontos) e MOHID (5,5 pontos). Os resultados da hierarquização são, ainda, ilustrados na
Figura 5.1 e Figura 5.2.
Tabela 5.1 – Matriz de resultados da hierarquização dos modelos.
Critério CE-QUAL-W2 MOHID QUAL2Kw SISBAHIA WASP7
Parametrização do Modelo 5 1 4 2 3
Hidrodinâmica 3 5 2 4 1
0.5 x A 4.0 3.0 3.0 3.0 2.0
Interface 4 1 2 5 3
Materiais de Suporte 5 1 3 2 4
Suporte Técnico 4 3 3 5 3
0.2 x B 2.6 1.0 1.6 2.4 2.0
Número de Aplicações 5 2 3 1 4
Publicações 5 3 2 1 4
0.2 x C 2.0 1.0 1.0 0.4 1.6
Custo 0.5 0.5 0.5 0.1 0.5
0.1 x D
Total 9.1 5.5 6.1 5.9 6.1
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Figura 5.1 – Classificação dos modelos para cada critério de avaliação.
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43
Figura 5.2 – Resultado da avaliação no sistema de hierarquização
dos modelos em análise.
A análise dos fatores de avaliação indica que, apesar de o modelo CE-QUAL-W2 se destacar
em vários critérios, é na sua adequação à natureza do trabalho de modelagem que este mais se
evidencia.
Outros modelos, como o QUAL2KW e o WASP7, também apresentam características que
lhes permitem modelar muitos dos processos químicos e biológicos em reservatórios, embora
não sejam tão versáteis quanto o CE-QUAL-W2. Acima de tudo, são limitados pela sua
aproximação 1-D à modelagem dos processos físicos de transporte. Finalmente, o MOHID e o
SISBAHIA, embora apresentem grande versatilidade na modelagem dos mesmos processos
físicos de transporte (ambos com referências 3-D), apresentam insuficiências na sua
parametrização dos processos que afetam a qualidade da água em reservatórios, o que torna a
sua utilização limitada.
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44
6 MODELOS DE BACIA
6.1 CONSIDERAÇÕES
As decisões de gestão relacionadas à qualidade de água em lagos e reservatórios requerem,
frequentemente, estudo que combine os processos que ocorrem na massa d’água e na bacia de
drenagem.
Os processos mais relevantes nas bacias hidrográficas são os hidrológicos (infiltração;
evapotranspiração; escoamento superficial e sub-superficial) ou hidromorfológicos (erosão e
sedimentação; descargas difusas e pontuais e carreamento de matéria dissolvida
e particulada).
Considerando que o estado da água de um reservatório é diretamente condicionado pela
ocupação e utilização de sua bacia de drenagem, seja por meio de fontes de poluição pontuais
ou difusas, é imprescindível a adequada descrição das cargas que afluem ao reservatório.
Quando existem dados de campo disponíveis de estações hidrológicas e de qualidade da água
automáticas, localizadas nos cursos de água que afluem ao reservatório ou em zonas
localizadas a montante, a caracterização destes efluentes é feita com base nessa informação.
No entanto, as limitações associadas aos programas de monitoramento normalmente impedem
que se consigam obter os registros contínuos por longos períodos, registros estes necessários à
adequada descrição dos efluentes. Assim sendo, diversos estudos têm revelado que o método
mais eficiente para alcançar esta descrição consiste na utilização combinada de modelos de
bacia e reservatório.
Neste contexto, são apresentados a seguir treze (13) modelos de bacia de drenagem que
poderão ser utilizados em caso de os dados existentes não serem suficientes para caracterizar
os corpos d’água que afluem aos reservatórios.
6.2 MODELOS CONSIDERADOS
Na Tabela 6.1 apresentam-se as principais características dos modelos hidrológicos
analisados.
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45
Tabela 6.1 – Características dos modelos hidrológicos analisados.
Modelos Origem Frequência de cálculo Águas
subterrâneas Módulo
GIS Software
Livre
SWAT
Grassland, Soil &
Water Research
Laboratory,
EUA
Definida pelo usuário S S S
Bilan
European Drough
Center,
Europa
Diária ou mensal N N -
DR3M USGS,
EUA Diária N N S
GSFlow USGS,
EUA Diária S S S
IHACRES
Center for Ecology
& Hydrology,
Inglaterra
Definida pelo usuário N N N
MODBRNCH USGS,
EUA Diária S N S
PRMS USGS,
EUA Diária N S S
RRL CRC Program,
Austrália Diária N N N
SIMGRO Alterra,
Holanda Diária S S N
SOBEK Deltares,
Holanda Tempo real S S N (trial v.)
TEMEZ ASINGL, Espanha Mensal N N -
GIS-BALAN
Universidade da
Corunha,
Espanha
Diária S S -
MOHID Land Instituto Superior
Técnico, Portugal Definida pelo usuário S S S
6.2.1 SWAT
O Soil and Water Assessment Tool (SWAT) é um modelo à escala de bacia hidrográfica
desenvolvido pelo Grassland, Soil and Water Research Service do Departamento de
Agricultura dos EUA. É baseado em elementos físicos, realizando simulações hidrológicas, de
ciclos de nutrientes e pesticidas, de transporte de bactérias e de erosão e transporte de
sedimentos, com frequência de cálculo diário.
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46
A esquematização do sistema é realizada por meio da definição de sub-bacias. Cada sub-bacia
possui pelo menos uma unidade de resposta hidrológica (HRU); um (1) canal tributário e um
(1) canal principal ou curso d’ água. Podem ser ainda definidos dois (2) tipos de
armazenamento superficial na sub-bacia, quais sejam: lagos e pântanos.
As HRU são porções de terreno da sub-bacia que possuem atributos de uso do solo, da gestão
e do tipo de solo idênticos. Implícito a este conceito está o pressuposto de que não existe
interação entre diferentes HRU da mesma sub-bacia.
As cargas transportadas no escoamento são calculadas separadamente para cada HRU e
posteriormente somadas para se determinar a carga total da sub-bacia. No caso de existir
interação entre dois (2) tipos de usos do solo, devem ser definidas duas sub-bacias. A cada
sub-bacia está associado um (1) curso d’ água principal. Os canais tributários são utilizados
para calcular o tempo de concentração da sub-bacia e as perdas por
transmissão do escoamento.
As zonas com capacidade de armazenamento localizadas na rede de cursos d’água são
modeladas como reservatórios, sejam eles naturais ou artificiais.
O SWAT é particularmente indicado para prever os efeitos na água, nos sedimentos e nos
rendimentos dos agroquímicos provocados pela gestão do uso do solo e pelas mudanças
climáticas e de vegetação em bacias hidrográficas grandes e complexas. Considerando que se
descrevem processos físicos associados à água, o programa necessita de informações
específicas relativas às condições climáticas, às propriedades do solo, à topografia, à
vegetação e às práticas de gestão do uso do solo na bacia hidrográfica em questão.
6.2.2 Bilan
O modelo Bilan foi desenvolvido pelo T.G.Masaryk Water Research Institute, em Praga, para
os estudos das bacias hidrográficas da República Checa. Nesses estudos, são utilizados
cenários de alterações climáticas derivados de modelos climáticos regionais, que se refletem
em séries temporais meteorológicas, utilizadas na simulação do ciclo hidrológico realizado no
modelo de balanço hidrológico Bilan.
O modelo Bilan é utilizado para determinar os componentes do balanço hidrológico em uma
dada bacia para uma frequência de cálculo que pode ser diária ou mensal. O modelo simula o
balanço por meio de três (3) algoritmos desenvolvidos para situações diferentes, sendo as
condições de inverno, fusão de neve e condições de estiagem. O excesso de volume de água
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47
dá origem ao escoamento direto ou infiltra-se, dividindo-se em escoamento intersticial e
recarga de aquíferos.
A aplicação típica do Bilan é a determinação dos impactos das alterações climáticas nos
recursos hídricos superficiais, cuja disponibilidade pode ser posteriormente analisada em
estudos de gestão da água nas bacias. Em combinação com o modelo Modular Groundwater
Flow Model do U.S. Geological Survey (MODFLOW), pode ser também indicado para a
simulação e determinação dos recursos hídricos subterrâneos. O MODFLOW é um modelo de
escoamento subterrâneo em que os aquíferos são simulados utilizando o método de
diferenças finitas.
6.2.3 DR3M
O Distributed Routing Rainfall-Runoff Model (DR3M) é um modelo de simulação da
propagação do escoamento por meio de sistema ramificado de canais e/ou cursos d’água
naturais, à escala da bacia hidrográfica, a partir dos dados de precipitação. Fornece dados
detalhados do escoamento e calcula a umidade diária entre precipitações. Este modelo é
geralmente utilizado para simular pequenas bacias urbanas.
A drenagem na bacia é realizada por meio da consideração de escoamento superficial,
escoamento nos canais e cursos d’água e de reservatórios. Não considera escoamentos
subterrâneos, escoamento de base, acumulação de neve nem fusão de neve.
Para determinar a precipitação efetiva são considerados parâmetros como a umidade do solo,
o excesso de precipitação de chuvas anteriores e a porcentagem de áreas impermeáveis. É
utilizada a fórmula de Green-Ampt para o cálculo da infiltração e do excesso de precipitação.
O processo de otimização de Rosenbrock é utilizado para ajudar na calibração de parâmetros
de infiltração e umidade no solo.
6.2.4 GSFLOW
O Ground Water and Surface-Water Flow Model (GSFlow) é um modelo que junta modelos
de escoamento subterrâneo e de escoamento superficial: U.S. Geological Survey
Precipitation-Runoff Modeling System (PRMS) e U.S. Geological Survey Modular
Groundwater Flow Model (MODFLOW).
Para tal, foram desenvolvidos métodos para simular o escoamento entre as Unidades de
Resposta Hidrológica (HRU) do PRMS, entre as HRU e as células de diferenças finitas do
MODFLOW e entre as HRU e os cursos d’água e lagos. Os modelos PRMS e MODFLOW
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48
possuem métodos de programação semelhantes, o que permite funcionamento conjunto, mas,
também, que seja mantida a sua independência, possibilitando a junção de módulos extra
de cada um.
O GSFlow foi desenvolvido para simular simultaneamente o escoamento subterrâneo e o
superficial em uma ou mais bacias hidrográficas por meio do cálculo simultâneo do
escoamento à superfície, nas camadas saturadas e não saturadas do solo e nos cursos d’água e
lagos. O cálculo necessita, como dados iniciais, dos climatológicos, como séries observadas
ou estimadas de precipitação, de temperatura do ar e de radiação solar, e de dados de extração
da água subterrânea.
O modelo pode ser utilizado para avaliar o efeito de fatores como a mudança do tipo de uso
do solo, variabilidade do clima e bombeamento de água subterrânea no escoamento
superficial e subsuperficial, dispondo de métodos bem documentados para:
– simulação do escoamento e infiltração, a partir da precipitação;
– realização do balanço energético e de massa das zonas de copas das árvores, da
camada de neve e do solo;
– simulação da interação do escoamento superficial com o escoamento subterrâneo.
Um aspecto relevante do GSFlow é a sua capacidade de conservação da massa de água e de
fornecer balanços hídricos abrangentes. O GSFlow funciona com frequência de cálculo diário.
6.2.5 IHACRES
O Identification of Unit Hydrographs and Component Flows from Rainfall, Evaporation and
Streamflow Data (IHACRES) é um modelo de transformação precipitação-escoamento à
escala da bacia hidrográfica, cujos objetivos são caracterizar a relação dinâmica entre a
precipitação e o escoamento utilizando séries de precipitação e temperatura (ou evaporação
potencial) e prever o escoamento.
O modelo pode ser aplicado a diferentes escalas espaciais e escalas temporais. Pode ser
utilizado para preencher falhas nas séries temporais e extrapolar séries de escoamento. Este
modelo tem sido aplicado com sucesso no mundo, em bacias com áreas diferentes e sob
condições climáticas.
Os dados de entrada do modelo são séries temporais de precipitação, temperatura (máxima, de
preferência) ou evapotranspiração potencial e de vazões.
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6.2.6 MODBRNCH
O MODBRNCH é um modelo desenvolvido pelo U.S Geological Survey (USGS) que junta os
modelos BRANCH e MODFLOW-96. O modelo MODFLOW-96 simula o escoamento em
regime permanente e em regime variado em um sistema de aquíferos confinados ou não. O
modelo BRANCH simula em regime permanente e em regime variado o escoamento em um
canal em superfície livre ou em um sistema de canais ligados de forma dendrítica ou fechada,
por meio da resolução das equações unidimensionais da continuidade e da conservação do
momento em ordem à vazão. O escoamento entre a superfície e os aquíferos é calculado por
meio da infiltração.
O modelo BRANCH utiliza um esquema implícito de diferenças finitas de quatro (4) pontos
para resolver as equações de regime variado no escoamento superficial. Um termo de
infiltração foi acrescentado às equações do modelo BRANCH como ponte de ligação entre os
dois (2) modelos.
Para cada célula da grelha de diferenças finitas é necessário que sejam fornecidas as
condições iniciais e propriedades hidráulicas. Os dados de entrada do modelo BRANCH
consistem na geometria dos canais, condições iniciais do escoamento em todas as seções
transversais e condições de fronteira definidas nas extremidades.
O principal resultado do programa é a carga hidráulica, sendo também apresentados o
escoamento e respectivas estatísticas e o balanço.
6.2.7 PRMS
O Precipitation-Runoff Modeling System (PRMS) é um sistema de modelagem determinística
com parâmetros distribuídos, desenvolvido para avaliar o impacto de várias combinações de
precipitação, clima e uso do solo no escoamento, na vazão dos cursos d’água, no transporte de
sedimentos e na hidrologia geral de uma bacia hidrográfica. Pode ser simulada a resposta da
bacia a condições de precipitações normais ou excepcionais, o que permite avaliar as
alterações no balanço hídrico, no regime de escoamentos e na recarga de aquíferos.
A bacia hidrográfica é dividida em sub-bacias com base em características como: declive;
forma; cota; tipo de vegetação; tipo de solo; uso do solo e distribuição da precipitação.
Para essa divisão, existem dois níveis de partição. O primeiro divide a bacia em unidades de
resposta homogêneas (HRU), baseando-se nas características da bacia, para as quais são
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calculados os balanços de água e de energia. A soma das respostas de cada HRU, ponderada
com base nas áreas, resulta na resposta da bacia.
O segundo nível de divisão é aplicável para a simulação de hidrogramas de cheia. A bacia é
representada como uma série de planos de escoamento e canais ligados entre si. O escoamento
superficial é propagado pelos planos de escoamento até atingir os canais, onde é propagada a
vazão nos cursos d’água.
Para determinar o escoamento são necessárias, pelo menos, séries de precipitação diária e
séries de temperatura do ar (máxima e mínima). Para o cálculo de hidrogramas de cheia e de
transporte de sedimentos, são necessárias séries diárias de precipitação, escoamento e
sedimentos. A variação espacial e temporal da precipitação, da temperatura e da radiação
solar deve ser representada.
Entre os resultados produzidos pelo programa estão as vazões diárias, os dados estatísticos da
precipitação, interseção, evapotranspiração potencial e efetiva e as vazões afluentes e
efluentes. As séries mensais disponíveis podem ser apresentadas como séries diárias,
juntamente com informação da umidade no solo.
6.2.8 RRL
O modelo Rainfall Runoff Library (RRL) foi desenvolvido na Universidade de Camberra
(Austrália) com o objetivo de simular o escoamento em uma bacia a partir das séries diárias
de precipitação e evapotranspiração. Pode ser aplicado a bacias desde 10 km2 a 10.000 km
2
com frequência de cálculo diário. Este modelo é geralmente utilizado para preencher falhas e
prolongar séries de vazões em estações hidrométricas.
Como dados de entrada são necessárias séries contínuas de precipitação e de
evapotranspiração potencial; série de vazões da estação hidrométrica objeto do modelo (estes
dados são utilizados para calibração e verificação dos resultados) e características
físicas da bacia.
O RRL inclui cinco (5) modelos distintos de transformação precipitação-escoamento, quais
sejam: AWBM, Sacramento, Simhyd, SMAR e Tank.
6.2.9 SIMGRO
Atendendo a que a maioria dos modelos considera apenas parte dos processos que ocorrem
em uma região, o Simulation of Groundwater and Surface Water Levels (SIMGRO) foi
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desenvolvido na Universidade de Wageningen (Nova Zelândia) como um modelo que liga
todos os processos, incluindo a interação plantas-atmosfera, a água no solo, o escoamento
subterrâneo e o escoamento superficial.
Para tal, utiliza o modelo metaSWAP para zona insaturada, o modelo MODFLOW para o
escoamento subterrâneo e o seu módulo SWQN para o escoamento superficial.
O modelo Surface Water Quantity Model (SWQN) simula o escoamento superficial por meio
de uma esquematização de nós e seções. Esta esquematização pode ser digitada sobre uma
base topográfica. A altura da água é simulada nos nós de extremidade de cada seção e os
principais dados de entrada são as propriedades dos nós, secões e estruturas hidráulicas, as
condições de fronteira nos nós e nas estruturas hidráulicas e as condições iniciais. Os
resultados deste modelo têm frequência de cálculo diário.
O programa liga estes três (3) modelos por meio das trocas da vazão e do armazenamento.
A esquematização é feita por sub-compartimentos. Na camada inferior são combinados os
usos de solo e os tipos de solo. Na camada seguinte são definidas as células do modelo de
escoamento subterrâneo. A terceira camada é constituída pelas sub-bacias do modelo de
escoamento superficial, modeladas como uma rede de trajetórias interligadas. Na camada
superior são sobrepostas todas as camadas.
As interações com a atmosfera consistem em precipitação, evapotranspiração, interseção pelas
copas das árvores e evaporação. A evapotranspiração é modelada por um método de Makkink
modificado. A precipitação natural pode ser aumentada pelo efeito dos escoamentos
superficial e subterrâneo.
O escoamento na zona não saturada do solo é modelado com metaSWAP, uma ferramenta
dinâmica baseada nas simulações em regime permanente do modelo SWAP. O fluxo no solo é
assumido como apenas vertical e são utilizadas três (3) caixas de controle: uma para a zona
vegetal, outra para o sub-solo pouco profundo e outra para o sub-solo profundo. A descrição
da água no solo termina no nível freático, o que significa que a fronteira que divide os
modelos de água no solo e água subterrânea se move para cima e para baixo com os
movimentos do nível freático.
O escoamento superficial é modelado como uma rede de trajetórias, cada uma representada
como sendo um reservatório que interage com as outras trajetórias a ele ligadas.
Descarregadores e bombeamentos podem ser também simulados como parte do sistema.
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O modelo permite ainda a integração de estações de tratamento de esgoto, de soleiras para
controle de nível e de bombeamentos e possui algumas opções de modelagem da gestão da
água em zonas urbanas. Nos períodos secos, a irrigação das culturas é opcional e depende da
umidade no solo e da disponibilidade de recursos. Os níveis de inverno e de verão podem ser
definidos ou ajustados de acordo com os níveis desejados de escoamento
superficial ou subterrâneo.
A drenagem pode ser simulada utilizando o MODFLOW ou as funcionalidades do SIMGRO.
O último implica a definição de características para quatro (4) tipos de cursos d’água: cursos
de água convencionais, campos drenantes, valas e drenagem superficial.
O SIMGRO é atualmente utilizado por diversas agências e aplicado em vários projetos da
Holanda e de outros países.
6.2.10 SOBEK
SOBEK é um modelo 1D-2D da Universidade de Delft (Holanda) para a simulação integral
de processos unidimensionais que ocorrem em rios, estuários, canais ou sistemas de esgotos.
Permite prever o efeito de cheias, otimizar os sistemas de drenagem, controlar os sistemas de
irrigação, apoiar o dimensionamento de condutas, controlar os níveis de água subterrânea, a
morfologia dos rios, a intrusão salina e a qualidade da água superficial.
Os cursos d’água são modelados como componentes 1D ligados a componentes 2D que
representam o escoamento nas margens. O modelo inclui, também, passagens hidráulicas e
condutos com diâmetro superior ou igual a 600 mm. Os diâmetros inferiores foram excluídos
por se considerar que a vazão nessas condições é significativamente reduzida devido às
colmatações e restrições.
6.2.11 TEMEZ
O modelo de Temez, originalmente desenvolvido por Temez em 1977 como uma
simplificação do clássico Método de Stanford – Stanford Watershed Model (SWM), foi
posteriormente adaptado pelo Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas
(CEDEX, Espanha) em 1993 e aplicado para o caso português por meio do módulo XLWAT,
desenvolvido pela empresa CHIRON em 1998.
Este modelo é um modelo hidrológico conceitual que simula os escoamentos mensais em
regime natural de uma bacia hidrográfica. Para tal, utiliza os dados registrados nas estações
meteorológicas e climáticas e as características de bacias e aquíferos, reproduzindo os
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processos essenciais de transporte de água que ocorrem nas diferentes fases do ciclo
hidrológico. Partindo do princípio da continuidade, o modelo estabelece, em uma escala
mensal, leis de repartição e transferência de água entre os diferentes tipos de armazenamentos
disponíveis na bacia.
Os dados de entrada necessários para rodar o programa são os dados de precipitação e
evapotranspiração potencial obtidos por meio dos registros mensais de estações
meteorológicas e climatológicas. Para calibração e comparação de resultados utilizam-se,
também, registros de vazões observadas em pontos da simulação. O modelo necessita de
informação relativa à topologia da bacia e classificação dos solos. É necessário fornecer a
capacidade máxima de armazenamento do solo; o coeficiente de excedente; a capacidade
máxima de infiltração e o coeficiente de retenção dos aquíferos.
6.2.12 GIS-BALAN
O modelo GIS-BALAN resultou da agregação do modelo VISUAL BALAN, desenvolvido
pela Universidade da Corunha, a um Sistema de Informação Geográfica (SIG).
O VISUAL BALAN é um modelo hidrológico que resolve a equação do balanço hidrológico
de forma sequencial para o escoamento superficial, na zona não saturada do solo e nos
aquíferos. Tal modelo permite a determinação dos níveis diários nos armazenamentos
subterrâneos e as taxas de descarga das bacias.
Uma vez que se trata de um modelo agregado, é mais adequado a bacias hidrográficas
pequenas e homogêneas. Quando a bacia é complexa e exibe uma grande variabilidade
espacial, deve ser dividida em sub-bacias hidrologicamente homogêneas onde possam ser
calculados os balanços hidrológicos. Os resultados obtidos para cada sub-bacia são
posteriormente somados para se obter os resultados para a bacia total.
Os principais dados para o cálculo do escoamento superficial são a precipitação, os dados de
irrigação e a fusão da neve. A infiltração pode ser determinada com a aplicação da equação de
Horton ou com o Método do SCS, que utiliza o número de escoamento.
O escoamento superficial é dado pela diferença entre o volume de água afluente e o volume
infiltrado. Aquele que é resultante da infiltração fica disponível para as necessidades de
evapotranspiração, para aumentar a quantidade de água na zona não saturada e para a recarga
potencial dos aquíferos.
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A evapotranspiração efetiva é calculada a partir da potencial utilizando o método original de
Penman-Grindley ou métodos dele derivados. O método original de Penman-Grindley foi
desenvolvido por Grindley em 1967.
A drenagem pelo solo (ou a recarga potencial) pode ter duas componentes: 1) caminhos
preferenciais ou recarga direta, que podem ocorrer por meio de fissuras, falhas e poros e
corresponde a uma fração do total da água infiltrada; e 2) infiltração pelo solo, seguindo a lei
de Darcy, que corresponde a um processo mais lento e que depende da capacidade do solo e
da sua condutividade hidráulica.
O GIS-BALAN assume que na zona não saturada a água pode fluir horizontalmente,
encontrando novamente a atmosfera, ou percolar verticalmente em direção aos aquíferos. A
percolação é, portanto, equivalente à recarga de aquíferos.
Recentemente foi desenvolvido um pré-processador para o GIS-BALAN que, a partir de um
modelo digital de elevação do terreno e utilizando a informação georreferenciada, define
informações como a delimitação de sub-bacias e a determinação de parâmetros morfológicos
e da rede de drenagem (declive médio, tipo de solo e uso do solo).
As informações meteorológicas de diferentes estações podem ser processadas no GIS,
criando-se mapas que descrevem a sua variabilidade espacial.
O GIS-BALAN tem sido aplicado a bacias hidrográficas da Espanha e Portugal, como, por
exemplo, na bacia do rio Valiñas.
6.2.13 MOHID Land
O MOHID Land é parte integrante do MOHID Water Modelling System, já mencionado
anteriormente.
O MOHID Land possui algoritmos para cálculo de balanço hídrico em bacias hidrográficas,
rios e zonas urbanas. O MOHID Land pode ser utilizado para simular redes hidrográficas
(1D), escoamento superficial (2D) e processos que ocorrem na zona saturada e não saturada
do solo (3D).
Este modelo permite, ainda, associar processos de transporte de propriedades aos processos
hidrológicos e, em último caso, processos de transformação biogeoquímicos (ciclos do
carbono, do azoto, do fósforo e do oxigênio).
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Os escoamentos em canais, na zona não saturada do solo e na zona saturada do solo são
interdependentes e a sua simulação integrada elimina a necessidade de hipóteses sobre as
transferências entre os diferentes domínios. A interação entre os processos é calculada
dinamicamente pelo modelo, tendo por base gradientes hidráulicos.
Após calibração e validação, o modelo pode ser usado para estudar problemas como:
– importância relativa de fontes pontuais e difusas de poluição para a qualidade da
água nos rios e reservatórios em função da pluviosidade;
– impacto das práticas agrícolas sobre a qualidade das águas superficiais; e,
– impacto da descarga de uma bacia sobre o meio receptor.
Em especial, o MOHID River Network (MRN) é um dos módulos do MOHID Land, sendo um
modelo hidrodinâmico que considera uma rede de tributários e permite frequências de
cálculos dinâmicos. A sua estrutura é uma rede em árvore de nós ligados. Cada nó pode ter
várias ligações para montante e apenas uma para jusante. Assim sendo, o MRN permite o
cálculo da propagação de nutrientes e sedimentos; do armazenamento em reservatórios e
charcos; das perdas por transporte e dos fluxos de evapotranspiração para a fina resolução
espacial e temporal requerida pelos cursos d’ água temporários. Pode ser utilizado
isoladamente, importando os dados do material transportado na fase terrestre como séries
temporais em uma fonte pontual ou integrado aos cálculos dinâmicos do MOHID Land.
As perdas por transmissão no transporte são devidas à infiltração por meio dos leitos
permeáveis dos rios e à evaporação. Este é um aspecto importante que deve ser levado em
consideração na simulação em áreas semiáridas.
6.3 VIABILIDADE TÉCNICA E ECONÔMICA
Apesar da grande diversidade de modelos capazes de determinar o regime hidrológico em
uma bacia, a relação entre pluviosidade e vazão dos rios e tributários que afluem aos
reservatórios não é o único resultado que um modelo desta natureza deve fornecer para o
estudo em questão. Juntamente com a quantidade (vazão), é também necessária a descrição da
qualidade (cargas ou concentrações dos parâmetros) da água que alimenta os reservatórios.
Como tal, o modelo de qualidade da água que será utilizado para modelar os reservatórios
utilizará os resultados do modelo de bacia nas suas condições de fronteira aberta. Assim
sendo, o modelo de bacia deve, obrigatoriamente, simular vazões e qualidade da água.
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Frente à estas exigências, apenas dois (2) modelos de bacia se adequam ao trabalho proposto:
o modelo SWAT e o MOHID Land. Ambos apresentam nos seus resultados uma
quantificação dos efluentes, permitindo, também, a caracterização da qualidade das águas.
O SWAT destaca-se por ser um dos modelos mais utilizados a nível mundial. Possui
constantes atualizações; código de fonte aberto e interface gráfica amigável. O SWAT é,
ainda, extensamente utilizado, seja pela comunidade científica ou por entidades relacionadas à
gestão integrada de bacias e recursos hídricos, contando com vários artigos publicados.
O Mohid Land, apesar das suas potencialidades, está ainda em fase inicial de
desenvolvimento, não estando por isso extensamente aplicado e testado como o SWAT,
apesar do crescente número de usuários em todo o mundo. Acresce ainda o fato de o MOHID
Land não ter documentação de suporte tão detalhada quanto a do SWAT.
Para uma perspectiva econômica, como já mencionado, os modelos são igualmente viáveis,
uma vez que são de livre utilização, sem qualquer custo na aquisição do software.
Adicionalmente, o modelo SWAT pode ser utilizado em uma plataforma SIG, sendo o QGIS
(http://www.qgis.org), recomendado pelos criadores do SWAT, software igualmente
aberto e sem custo.
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7 PERSPECTIVAS PARA OS PRÓXIMOS PRODUTOS
No escopo deste trabalho de Estudo de Viabilidade e Hierarquização dos Modelos
Identificados e Avaliados, a equipe prosseguirá os estudos por meio da execução das tarefas
apresentadas a seguir.
ATIVIDADE 2.2: Aquisição de Dados de Monitoramento.
O sistema de monitoramento com vista à modelagem da qualidade da água terá como base o
levantamento de dados que englobará as informações a seguir elencadas.
– Características dos reservatórios.
– Condições iniciais e de contorno.
– Observações in loco e coleta de amostras de água.
Será produzido e entregue o Relatório R2, documentando a atividade de coleta de dados e
dificuldades encontradas.
O Relatório R2 consiste no relatório técnico com a descrição da atividade de coleta de dados
bem como das dificuldades encontradas nos trabalhos. Neste relatório serão descritos os
processos desenvolvidos ao longo da Atividade 2.2. Nesta fase será fundamental reportar as
eventuais dificuldades encontradas no desenvolvimento dos trabalhos de campo, já que terão
sido realizadas campanhas de coletas de água e de medição de vazões. Este documento será
apresentado em abril de 2016.
Como parte da Atividade 2.2, também será desenvolvido o Banco de Dados Georreferenciado
– Produto P4.
O Produto P4 consistirá na elaboração de Banco de Dados Georreferenciado que servirá para
compilar a informação obtida nos trabalhos de campo, especificamente em relação à
caraterização dos reservatórios (dados de campo e compilação bibliográfica) e os dados
coletados durante os trabalhos de campo. O desenho do banco de dados será apresentado no
início de fevereiro de 2016.
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