Blog do Tucci

Esta semana passada estive no evento da Unesco em Paris (o que não me permitiu ir a Campo Grande no evento da ABRH) denominado “Road Map Towards Risilient Urban Environment”, traduzido por: Caminhos para um ambiente Urbano Resiliente. Resiliente é uma palavra em português pouco conhecida, mas representa neste caso a resistência humana e ambiental a eventos naturais e antrópicos nas cidades. Por exemplo, uma população é vulnerável a inundação e pode ser tornar resliente a inundação com determinadas medidas.
O evento é uma promoção européia com a UNESCO sobre inundações urbanas. Apresentei no primeiro dia entre os convidados o seguinte: ” Latin American challenges on Urban Flood Management” (Desafios em Gestão das inundações Urbanas na América Latina).

O evento teve características européias onde se abordou principalmente as inundações ribeirinhas, que são inundações naturais de grandes e médios rios que atravessam as cidades. Como as cidades européias crescem pouco em densidade e expansão urbana os problemas de drenagem urbana (Os Ingleses chamam de “Pluvial floods” e os americanos de “Stormwater floods”) aparecem menos. Diferente da América Latina que possui grandes expansões urbanas com evidentes prejuízos na drenagem urbana das cidades pelo aumento da vazão máxima devido a intensa impermeabilização ao longo do tempo.

Na minha sessão foi apresentado por P. Campostrini (diretor da entidade de gestão da área) o projeto de controle de cheia de Veneza que deverá utilizar de comportas móveis para evitar as freqüentes inundações proveniente do mar e atingem a cidade. No último ano ocorreram nove enchentes. Além desta obra hidráulica o projeto tem preocupações ambientais de recuperação das áreas costeiras que sofreram impacto do desenvolvimento de montante como a redução de sedimentos.

As sessões técnicas trataram de aspectos políticos institucionais, mudanças climáticas relacionadas, tecnologias de apoio a resiliência, capacitação e lições dos grandes desastres. Não foi possível acompanhar todas as sessões, mas um dos aspectos que me chamou a atenção foram planos urbanos para tornar as casas, prédios e cidades mais resistentes a cheia, como a casa flutuante e planejamento de espaços urbanos considerando estas condições. Não são idéias novas, pois as próprias palafitas são formas de resiliência a inundação, no entanto deve-se dar condições sanitárias e de comunicação a esta cidade que flutua em locais onde a inundação pode durar por muito tempo como nas cheias ribeirinhas. Isto me fez lembrar de Manaus onde as palafitas junto a área de drenagem urbana interna da cidade, não possui condições ambientais adequadas, pela falta de esgoto, velocidade alta da água nos canais quando não está remansado e o lixo que retém.

Outra apresentação interessante foi da vice-prefeita de Paris sobre as inundações na cidade. No próximo ano a cidade comemora os 100 anos da grande cheia de 1910. Foram apresentadas as áreas sujeitas as inundações na cidade, onde se observa que quando ocorre uma inundação importante os impactos impedem o metro de funcionar e parte de conhecidas áreas de Paris ficam inundadas.

A resiliencia a inundação é uma área interessante para ser explorada no âmbito planejamento do espaço e de construções associado a gestão de inundações. Existe espaço interessante de desenvolvimento e pesquisa neste assunto para os alunos e futuros engenheiros.

Nas semanas que seguem continuaremos com o conteúdo de modelos matemáticos hidrológicos.

O comportamento hidrológico de uma área depende das intervenções sobre a sua superfície. As alterações de superfície nesta escala mostram:

•Aumento de escoamento com o desmatamento;
•Aumento do escoamento com a impermeabilização;
•Variação dos efeitos com a escala dos processos de acordo com o tipo de plantio para culturas anuais.

O comportamento do escoamento na bacia pode produzir resultados variados de acordo com a escala da bacia. Silva Jr (2001) utilizou dados da bacia representativa do Poritibu, afluente do Ijuí e do Uruguai no Oeste do Rio Grande do Sul. As bacias possuem dados de 1989 a 1999, sendo que no período de 1989 a 1994 as bacias tinham plantio convencional com terraceamento, enquanto que no período subsequente toda a região alterou para plantio direto. Este tipo de plantio altera o escoamento superficial fazendo com praticamente toda a precipitação infiltre, gerando preponderantemente escoamento sub-superficial. As bacias possuem as seguintes dimensões: Anfiteatro 0,125 km2, Donato 1,1 km2 e Turcato 19,5 km2. . As duas primeiras de escala de transição e a última, escala dentro da meso-escala. No plantio direto a vazão média de inundação reduziram em 31 e 22,5 % respectivamente, para Anfiteatro e Donato, enquanto que no Turcato aumentou de 39%.
Este resultado inicialmente surpreendente pode ser explicado. A precipitação se infiltra na camada superior do solo, predominantemente escoa pelos caminhos preferenciais dentro do solo. Este escoamento ocorre por distâncias limitadas, em função da declividade, saindo no ravinamento ou nos canais naturais de escoamento. O lençol freático, nestas condições, possui constante alimentação. Para as bacias menores o escoamento é predominantemente através do sub-solo, reduzindo o escoamento superficial, no entanto a medida que a bacia aumenta o escoamento sub-superficial já entrou nos canais e passa a ser considerado escoamento superficial mantendo sempre com fluxo maior que o cenário anterior.
Cenários como estes ocorrem na meso-escala que é um integrador dos processos de vertente. No entanto, a percepção humana de observação dos processos ocorre na micro-escala que pode resultar em comportamento diferente. Somente a ampliação da coleta de dados em diferentes escalas pode permitir entender os diferentes efeitos hidrológicos e ambientes (ecohidrologia) que estão fortemente integrado dentro da visão da teoria caótica, onde a micro não explica o comportamento da macro.
Estas características poderiam ser previstas por um modelo hidrológico que simulasse a bacia maior? Ou mesmo as menores? Provavelmente algum parâmetro seria forçado, artificialmente a obter os resultados da vazão, mas dificilmente o modelo retrataria o comportamento físico, pois na sua maioria os modelos seguem os conceitos hortonianos (1) de separação de escoamento e movimento de fluxo no sub-solo e não considera a diferença entre as áreas de recargas e de escoamento, caminho preferencial, entre outros. Portanto, o modelo não substitui a medida e observação dos processos na bacia, nas suas diferentes escalas. A simples discretização em módulos não significa que o modelo estará captando todos os processos existentes, pois a medida que a bacia aumenta abstrações da realidade são desenvolvidas, já que representar cada variabilidade física torna o problema insolúvel devido a magnitude de informações envolvidas e o próprio usuário perde percepção do seu entendimento.
Neste sentido, é hoje razoável de se buscar o seguinte:

(a)discretização e representatividade dos processos de acordo com a exigência do problema em estudo. Por exemplo, quando se deseja conhecer o efeito do uso do solo numa bacia de poucos hectares é necessário uma discretização de alguns metros de todos os processos, retratando os cenários desejados. No entanto, quando se deseja a vazão de saída de uma bacia em função da precipitação, sem uma preocupação maior sobre a alteração do sistema, considerando o sistema estacionário, o principal compromisso é o com o hidrograma de saída e o modelo apenas necessita representar os cenários de previsão de forma adequada. Estas são situações como a previsão de cheia em tempo real, dimensionamento de uma obra hidráulica, entre outros;
(b) quando uma bacia maior necessita ser simulada, as variações na pequena bacia (transição de escala), o modelo deve captar os principais processos da micro escala que podem influenciar de forma sensível as vazões de saída ou processos relacionados.

Portanto, O uso do modelo em diferentes escalas está diretamente ligado aos objetivos do seu uso, o nível de precisão desejado e os efeitos principais envolvidos.

SILVA, Jr. O 2001. Análise da Escala das variáveis hidrológicas na bacia do rio Potirubu Rs, dissertação de mestrado. Instituto de Pesquisas Hidráulicas. UFRGS.

(1) No conceito Hortoniano a água infiltra e gera escoamento subterrâneo, sem retornar para a superfície da bacia. No conceito de área de recarga a água infiltra nas áreas de recargas e retornar a superfícies nas áreas afluxo.

Em material em semanas anterior discutimos a escala hidrológica. Neste artigo incluímos um pouco do material anterior e ampliamos. Os diferentes processos que atuam sobre o meio natural envolve diferentes escalas relacionadas com o tempo e o espaço. Estas duas escalas estão de alguma forma integradas. Na figura abaixo pode-se observar as escalas e os principais processos relacionados com o meio ambiente natural e antrópico

A escala temporal

A escala temporal depende da ação antrópica e das condições de variabilidade climática. Estes efeitos podem ser observados dentro de uma escala de percepção humana ou apenas com base em medidas de sua ocorrência. Enquanto que a maioria dos processos dinâmicos que a nossa percepção tem capacidade de observar ocorre dentro da escala de tempo de até poucos anos, existem vários processos que atuam sobre as condições ambientais e no desenvolvimento econômico que ocorrem numa escala de tempo maior.
A variabilidade denominada aqui de curto prazo é a que ocorre na escala de tempo de um evento chuvoso de minutos horas ou poucos dias. A variabilidade temporal sazonal (dentro do ano) define o ciclo de ocorrência dos períodos úmidos e secos no qual a população e os usuários da água procuram conviver. Dentro deste âmbito está o ciclo de culturas agrícolas, alteração da paisagem e vegetação pela disponibilidade umidade, entre outros. Geralmente o controle deste processo envolve volume pequenos de água, quando apenas a sazonalidade está em jogo.
A variabilidade interanual de curto prazo (poucos anos 2 - 3 anos), como a sucessão de dois anos muito secos, pode ser a condição crítica de vários sistemas hídricos, especialmente no semi-árido brasileiro. Geralmente este tipo de período ainda está dentro da capacidade de percepção da população.
A variabilidade decadal (dezenas de anos) pode ser observada em séries de dados hidroclimáticos em diferentes regiões do globo. A importância da variabilidade nesta escala de tempo é que ela está um pouco além da capacidade de percepção humana, porém afeta fortemente as estruturas relacionadas aos recursos hídricos, dimensionadas para vidas úteis de várias décadas. Por exemplo, na bacia do rio Uruguai e grande parte do Rio Grande do Sul o período entre 1942 e 1948 foi o mais seco da série de 70 anos. O dimensionamento de um reservatório, considerando como representativa a série entre os anos de 1950 e 2000, que é relativamente longa, resultará em um volume dimensionado 50% inferior ao obtido com a série à partir de 1942, para a mesma vazão regularizada.
Geralmente o planejamento das atividades econômicas e dos recursos hídricos são realizados com base na estacionariedade da variáveis hidrológicas (as estatísticas não variam com o tempo) obtidas com base em séries curtas (10 a 30 anos) que muitas vezes não são representativas do comportamento hidrológico da bacia hidrográfica. No entanto, será que o período da década de 40 é anômalo e não irá mais se repetir? É natural que venha a se repetir, considerando que as condições de variabilidade climática de médio prazo se mantenham.
Dentro do âmbito das alterações antrópicas o impacto de modificações como o desmatamento produzem efeito imediato, mas a evolução do desmatamento sobre uma grande área ocorre mais lentamente e seu efeito na bacia de médio e grande porte é observado após um tempo maior, geralmente de alguns anos. Esta situação ocorre da mesma forma na urbanização de uma cidade a medida que a mesma cresce ao longo dos anos.

Escala espacial

A variabilidade espacial é um dos grandes desafios do conhecimento hidrológico atual. Neste processo é necessário entender as escalas caracterizadas por Becker, (1992) e descritas na tabela abaixo.
Na micro escala e sua transição geralmente ocorrem os processos de escoamento de vertente. Nesta escala praticamente não existem dados hidrológicos no Brasil e os processos geralmente estão dentro da percepção da população. A meso escala representa a faixa de bacias onde iniciam os usos da água como abastecimento de água e irrigação. Neste âmbito de dimensão de bacias ainda existem um reduzido número de informações hidrológicas, e quando existem não são confiáveis ou não medem adequadamente a ocorrência dos eventos. A outorga do uso da água para os referidos usos depende muito de dados e da extrapolação do comportamento para bacias deste tamanho
A grande maioria das informações hidrológicas no Brasil encontra-se na faixa de transição entre meso e macro-escala e a própria macro-escala. Esta situação é decorrência do principal uso priorizado no passado que é o aproveitamento hidrelétrico. Estes aproveitamentos se viabilizam a partir destas escalas. O conhecimento atual do comportamento hidrológico geralmente está associado a esta dimensão de bacia.

BECKER, A., 1992. Criteria for hidrologically sound structuring of large scale land surface process models. In: Advances in theoretical hydrology, Kuane, J. P. (editor). Elservier. pp. 97-111.

MENDIONDO, M.; TUCCI, C.E.M., 1997. Escala Hidrológica II: Diversidade de processos nas bacias de vertentes. Revista Brasileira de Recursos Hídricos V2 N.1 p81-100.

Figura Escala dos processos hidroclimáticos (Mendiondo e Tucci, 1997)

Tabela Escalas dos processos hidrológicos (Becker, 1992)

Numa sequência de artigos, iniciando nesta semana, vamos discutir neste blog os processos hidrológicos, desafios, representação e modelagem.
Quando é preparado um experimento, por exemplo a infiltração no solo, são observadas variáveis do processo ao longo do tempo. A observação da infiltração como ocorre, com relação a precipitação, a umidade do solo e os diferentes componentes físicos, permite estabelecer uma descrição qualitativa como os mesmos variam e as medidas quantitativas nos permite estabelecer as equações que descrevem os principais processos observados, baseados em princípios físicos básicos como a continuidade de massa ou volume.
Esta ciência da observação e representação que se desenvolveu ao longo dos últimos séculos é simples e direta, explicando grande parte dos processos de forma compartimentizada e dentro de escalas espaciais que permitem a sua observação. Com base nestes elementos foi possível criar as teorias e modelos que explicassem de forma aceitável, apesar das limitações ainda existentes, os processos como: escoamento em meio saturado e não-saturado, escoamento em rios, canais e reservatórios, evaporação e evapotranspiração e interceptação vegetal, entre outros.
A engenharia utilizou estes conhecimentos para projetar as ações antrópicas sobre estes sistemas e controlar os impactos ambientais, infelizmente nem sempre com sucesso.
Nas últimas décadas a ação da sociedade sobre os sistemas naturais tornou-se mais complexa, principalmente após os anos 70, seja pelo entendimento dos impactos ambientais que a mesma provocava ou pelo aumento do uso dos recursos naturais com o aumento da população e a sofisticação do seu desenvolvimento.
Contudo, não bastava explicar os processos idealizados de forma limitada, era também necessário entender os processos de forma interativa entre si. Não bastava explicar o comportamento somente da infiltração, era necessário explicar como ocorriam as precipitações, quanto da água é interceptada e quanto infiltra para o meio saturado, além dos processos no meio não-saturado. Somado a esta interação física era também necessário entender os processos químicos e biológicos relacionados com a contaminação e a sustentabilidade do ambiente.
A dimensão do problema cresceu de forma horizontal e vertical, ou seja é necessário entender a interação dos processos físicos somado aos processos químicos e biológicos, para poder responder as questões colocadas pela sociedade como: qualidade da água em rios e reservatórios, contaminação no meio – saturado, efeito do desmatamento e uso do solo, entre outros.
Para estudar estes processos foram instaladas bacias pilotos, áreas experimentais, entre outros para buscar medir e observar estas interações. Normalmente, estes elementos possuem limitadas dimensões espaciais. Foi quando observou-se que o que acontece na micro escala não explica o que ocorre na macroescala. O entendimento da hidrologia de escala que é a descrição dos processos que ocorrem na hidrologia em diferentes escalas de representação. Por exemplo, a capacidade de infiltração de alguns centímetros quadrados de um experimento não permite a parametrização de vários quilômetros quadrados (apesar do uso destas equações nos modelos). O que geralmente ocorre é a distorção de parâmetros e variáveis do processo. Isto não permitiu ao hidrólogo obter os parâmetros de um modelo por amostragem experimental, introduzir no modelo matemático e obter a resposta desejada (por exemplo, em conjunto com outros processos, a vazão numa seção de um rio).
Se não bastasse estas dificuldades para a ciência hidrológica, com o desenvolvimento de previsão de impactos antrópicos sobre os sistemas hídricos, os mesmos condicionam a paisagem e os elementos de base para fauna e flora de uma região. Períodos climáticos acima e a baixo da média podem alterar de forma crítica o ambiente no qual o homem se estabeleceu. A história é pródiga em exemplos dos condicionamentos humanos relacionados com o clima, solo e vegetação, que em essência dependem da água disponível (Diamond, 1997). Para responder questões como a variabilidade do ambiente em função de alteração dos processos climáticos é necessário integrar modelos climáticos, hidrológicos e ambientais.
A nascente área da ciência denominada Ecohidrologia descreve os processos hidrológicos que influenciam mecanismos ecológicos. A dinâmica das interações é dependente da escala no qual os fenômenos são estudados da mesma forma como a vegetação, pedologia e o tipo de clima.
Os desafios dos processos que agem no cenário real envolvem uma forte interdisciplinariedade para compor modelos que respondam questões atuais sobre o desenvolvimento econômico, ambiental e o gerenciamento dos recursos hídricos e meio ambiente de forma sustentável.
Na semana próxima vamos discutir os aspectos da escala hidrológica

Algumas notícias recentes chamaram a minha atenção sobre novas tecnologias em desenvolvimento para conservação e eficiência da água.

Redução de Perdas na Rede

O Banco Mundial estima que 88 milhões de m3 de água tratada são perdidos anualmente nas redes de abastecimento. Este volume poderia atender cerca de 1,2 milhões de pessoas. Grande parte da rede é perdida por vazamento na rede de condutos. Admite-se que 3,5 m3/km de rede/dia como um valor mínimo técnico aceitável.
As perdas dependem das condições dos condutos, que possuem vida útil, e da pressão do escoamento. O nível de perdas médio no Brasil é da ordem de 40% entre as empresas de distribuição de água. O ideal é buscar reduzir para cerca de 15% do total distribuído. Isto permitir melhorar a conservação dos recursos Hídricos. Geralmente a avaliação de custo é realizada comparando o custo de reduzir as perdas com o custo de tratamento desta água adicional, já que não se paga pela água ou se paga muito pouco. O ideal é que as agências reguladoras aumentem o preço da água (sem transferir para o consumidor) de acordo com a quantidade de perdas na rede.
Num artigo do The Economist denominado “In the pipeline” de 27 de outubro de 2009 é mencionado que uma empresa Israelense chamada Curapipe desenvolveu um sistema que sela os vazamentos de forma barata com pequena interrupção do abastecimento. O sistema funciona suspendendo o abastecimento por algumas horas enquanto um dispositivo na forma de um projétil, esponjoso, parecido com um porco é inserido no conduto e forçado através dele usando a pressão da água, tirando sedimentos e outros componentes existentes no conduto. São dois dispositivos na forma de porco com um composto viscoso entre eles. O composto funciona como um selante. O conjunto é forçado através dos condutos até as rachaduras que produzem vazamento. Quando atinge o local de vazamento o produto é sugado para a rachadura preenchendo e selando a mesma.

Redução do uso de água

Um dos principais usos de água dentro das residências e serviços é o referente as máquinas de lavar. A matéria “washing without water” de 3 de setembro de 2009 também do The Economist, menciona novo desenvolvimento de máquina de lavar que utilizar milhares de colares de nylon e apenas um copo de água e menos energia para lavar vem sendo explorado por uma companhia para desenvolver um novo sistema de lavagem. O sistema utiliza a habilidade de fibras sintéticas para atrair sujeira e manchas. A empresa Xeros utiliza milhares de pequenos colares de nylon medindo poucos milímetros. São colocados dentro de dois cilindros concêntricos com roupa suja com pouco detergente e água. Com a rotação a água umedece as roupas e o detergente trabalha retirando a sujeira e o sistema de nylon limpa. As fibras de nylon aquecem até se transformar numa estrutura amorfa,mantendo a sujeira no seu interior. A empresa pretende no futuro colocar inicialmente no mercado máquinas de 20 kg.
Mais detalhes das reportagens em www. Economist.com