Blog do Tucci

Dando continuidade a sequencia de artigos sobre modelos, nesta semana apresentamos um resumo da evolução dos modelos hidrológicos.

Os primeiros modelos tratavam de descrever os processos de cada componente do ciclo hidrológico, como infiltração, por Horton na década de 30, o escoamento em rios, por MacCarthy com o Modelo Muskingun e Puls para o escoamento em reservatório.

Os problemas e os sistemas eram delimitados para se obter a solução de um problema específico. Somente na década de 50, em função da disponibilidade do computador, apareceram os primeiros modelos hidrológicos que reuniam os vários processos para descrever a transformação da precipitação em vazão como os modelos SSARR (Rockwood, 1958). As décadas de 60 e 70 foi marcada pela introdução de vários outros modelos que contribuíram com características singulares como o Stanford IV que introduziu a distribuição espacial da avaliação da infiltração, Dawdy e O’Donnell (1965) e HEC-1. Ibbitt em 1973 que introduziu a otimização dos parâmetros de um modelo hidrológico, entre outros. Neste período foram apresentados vários outros modelos hidrológicos que tinham um novo nome, mas eram combinações de outros algoritmos básicos, com relação aos modelos citados. Em realidade, o número de combinações possíveis de diferentes métodos em cada componente da parte terrestre do ciclo hidrológico é muito grande e cada pesquisador tendia a buscar a que se sentia mais familiar, ou a que apresentava os melhores resultados nas bacias da sua região.

Nesta época surgiram alguns trabalhos de comparação entre os diferentes modelos, organizados por instituições como a WMO ou OMM (Organização Meteorológica Mundial). Por exemplo, a WMO em 1975 comparou modelos conceituais para previsão e WMO em 1986 tratou da comparação de modelos para geração de séries de vazões e neve. Já WMO em 1992 tratou da comparação de modelos para previsão em tempo real. Os resultados de comparação entre modelos geralmente não se mostraram claros, principalmente porque as incertezas dos dados e da representatividade são maiores que as diferenças entre as equações utilizadas e a habilidade do usuário em buscar um conjunto de parâmetros na simulação compensavam as diferenças entre modelos que usam equações empíricas equivalentes. Portanto, dentro de um mesmo grupo de modelos, o melhor é aquele em que o usuário possui mais familiaridade.

Estes modelos foram introduzidos para analisar o comportamento dos processos hidrológicos, estender séries de vazões para regularização de vazão e dimensionamento de obras. Objetivos primordialmente de projetos específicos de engenharia em que a série para ajuste é estacionária. Os modelos tinham características semelhantes e não mostravam melhoria de simulação porque as principais limitações estavam relacionadas com a representação da distribuição temporal e espacial da precipitação, onde os erros eram maiores que os ganhos que poderiam ser incorporados pelas variantes de uma equação empírica e em detrimento de outra.

No final da década 70 início da de 80 verificou-se duas tendências:

(a) os modelos tinham muitos parâmetros, o que dificultava seu ajuste quando existiam muitas sub-bacias e processos que produziam pouca sensibilidade na vazão de saída. Verificou-se que com apenas alguns parâmetros (cerca de 3 a 4) podia-se obter resultados equivalentes devido a baixa sensibilidade dos demais, resultando em modelos com menor número de funções e parâmetros (IPH II, Tucci et al, 1981 e Lopes et al, 1982) e mais eficientes na engenharia. Uma das aplicações que mais se beneficiou desta simplificação foi a previsão em tempo – real que necessitava de parcimônia para melhorar a atualização dos parâmetros;

(b) com o aumento da preocupação ambiental e avaliação do impacto da alteração do uso do solo iniciou-se o desenvolvimento de modelos com maior base física, procurando estabelecer relações que pudessem ser estabelecidas entre as características físicas do sistema e os parâmetros, reduzindo o empirismo das estimativas dos parâmetros. No fundo isto significava ir além da equação da continuidade, ou seja como em rios em canais, introduzir a equação de quantidade de movimento que representa o efeito das forças no escoamento.
Nesta linha, observou-se o desenvolvimento de modelos:

•na área de agricultura com o objetivo de a avaliação do escoamento, sedimentos e componentes de qualidade da água em pequenas parcelas rurais, alguns hectares (CREAMS, USDA, 1980; ANSWERS, Beasley e Huggins,1981). O componente de transformação de precipitação e vazão geralmente são algoritmos utilizado nos modelos em sub-bacias maiores; e
•modelo hidrológicos que retratavam apenas a transformação chuva-vazão com fundamentos hidrológicos físicos como o Topmodel e o SHE . Estes e os anteriores são denominados de distribuídos porque geralmente utilizavam algum atributo espacial de discretização mais aprimorado que a sub-bacia. No entanto, não apresentavam melhor resultado que os modelos tradicionais no hidrograma de saída devido ao seguinte: (1) a representação espacial e temporal da precipitação é onde reside o maior erro e alguns pluviômetros limitam os resultados; (2) a dificuldade de ajustar o modelo para um número muito grande de parâmetros; (3) o usuário tem dificuldade de assimilar o grande número de interações espaciais e ganhar sensibilidade no seu uso; (4) as formulações introduzidas ainda carregam muito empirismo e os parâmetros estimados numa parcela não representa necessariamente o processo no espaço maior; (5) a falta de dados em diferentes escalas dificulta o entendimento e a representação dos processos de escala hidrológica. O benefício é o de poder retratar processos distribuídos.
•Na década de 90, com o desenvolvimento de modelos climáticos globais, verificou-se que a atmosfera não era um sistema isolado e necessitava de informações e interações com os oceanos e a terra. Ao buscar simular o sistema terrestre para integrar com os modelos climáticos identificou-se que as escalas de resolução eram incompatíveis entre si. Uma quadrícula do modelo GCM era maior que toda a bacia usualmente simuladas em hidrologia. Alguns autores trataram de representar os processos como o escoamento no solo por equações diferenciais, mas existe pouca coerência espacial, pois estas equações retratam processos observados em poucos metros, enquanto que os modelos climáticos possuem quadrículas da ordem de 100 km! Este desafio aumentou ainda mais a necessidade da hidrologia de escala e o estabelecimento de funções físicas que pudessem ser aferida no campo. Os modelos hidrológicos de grandes bacias se desenvolveram buscando o princípio de distribuição espacial da capacidade de infiltração utilizado no Stanford IV e usado nos diferentes modelos a seguir. Os modelos para grandes bacias necessitam tratar o problema de forma distribuída e estabelecer quadrículas compatíveis com os modelos climáticos.
•Neste mesmo período, os avanços de modelos distribuídos na escala da bacia hidrográfica (meso escala) mostrou avanços importantes principalmente através: do uso do geoprocessamento que permitiu a identificação espacial das variáveis de entrada e de atributos físicos das bacias, também utilizada nos citados modelos no parágrafo anterior; uso de incerteza na estimativa de parâmetros mas sensíveis;

Na simulação dos efeitos de alteração do clima, das condições antrópicas (outras além do efeito estufa) em diferentes escala tem exigido dos modelos o seguinte:

•formulações que retratem não somente a transformação de precipitação em escoamento, mas também a produção e o transporte de sedimentos, a qualidade da água e ainda o desenvolvimento de novas paisagens ambientais em função dos condicionantes gerados;
•modelos de identifiquem de forma adequada as incertezas geradas pelos seus diferentes condicionantes e propaguem a mesma para a variável de decisão;
•modelos que retratem os processos nas suas escalas espaciais.

Pablo Lloret (pablo.lloret@gmail.com) é engenheiro civil especializado em hidráulica pela Universidade de Cuenca Equador, MSc em Gestão ambiental pela Universidade Pública de Navarra Espanha,MSc em Docencia Universitária pela Universidade do Azuay, Equador. Professor titular da Universidade do Azuay, Equador e Professor visitante da Pontifícia Universidade Católica Quito, Equador. É secretario técnico do FONAG Fundo para a Proteção da água, iniciativa da cidade de Quito para desenvolvimento integrado e sustentável dos recursos hídricos da cidade e sua bacia hidrográfica. O FONAG foi premiado recentemente pela UNESCO.

Tucci : 1 O que é a FONAG ? Como foi criado?

Pablo: O FONDO PARA LA PROTECCIÓN DEL AGUA FONAG( www.fonag.org.ec) é um fundo patrimonial fiduciário criado por 80 anos que serve para a proteção da água que abastece a cidade de Quito e seu entorno.

É um mecanismo financeiro simples que permite aos usuários e atores preocupados com a conservação da água possam materializar inversões para o cuidado deste recurso.
Em janeiro de 2010 o FONAG comemora 10 anos de criação e seu fundo patrimonial cresceu de US $21 mil a mais de US$ 7 milhões atualmente. Sendo patrimonialista, o fundo permite investir unicamente os rendimentos financeiros do mesmo. Estes valores têm sido utilizados nos últimos anos basicamente para “alavancar” fundos de doações. A relação entre os rendimentos financeiros e fundos de doações externos tem sido de um para quatro, ou seja, para cada dólar investido por FONAG em programas ou projetos, os fundos externos contribuem com quatro. .

Tucci: 2. Onde tem sido aplicado os recursos? e quem são os parceiros nestes investimentos?

Pablo: Os sócios do FONAG são a Empresa de Água e Saneamento de Quito, EMAAP http://www.emaapq.com.ec/ ; A Empresa de Energia Elétrica de Quito EEQ http://www.eeq.com.ec/ ; uma organização de conservação internacional Nature http://www.nature.org/wherewework/southamerica/ecuador_es/; uma Empresa Cervejeira, Cerveceriana Nacional http://www.cervecerianacional.com.ec/; uma Empresa de águas de mesa, Tesalias Spring http://www.tesaliasprings.com/index.asp; A Cooperação Suíça em Equador http://www.cooperacion-suiza.admin.ch/ecuador/

Os sócios contribuem ao fundo patrimonial de forma contínua, enquanto que existem os aportes em programas e projetos específicos das Cooperações Americana, Suíça, Francesa, Alemã e fundos de entidades nacionais governamentais e não Governamentais, contrapartidas de Governos locais, Municípios e localidades, entre os principais.

Tucci: 3. Na administração do Fundo quanto representa o custo de administração e qual é parcela fundo que é investida?

Pablo: O contrato de constituição do Fundo permite unicamente investir um máximo de 10% em gastos administrativos, o qual é obrigado a subcontratar serviços e produtos e manter um pessoal mínimo.

Tucci: 4. Quais são os resultados obtidos até o momento entre sucessos e fracassos? Como esta experiência está sendo copiada em outros locais do Equador e América do Sul?

Pablo: A primeira etapa da vida do fundo, entre sua criação e 2004 foi de capitalização para o fundo, onde não foi realizada nenhuma intervenção, na prática era uma conta no banco. Esta fase foi muito dura e contou com muitos detratores já que todos seus sócios queriam resultados, ações e visibilidade.

É indispensável para um fundo como este contar com indicadores claros e de fácil compreensão que demonstrem suas contribuições ao público em general seu impacto. Estamos trabalhando nisto e ainda não é um assunto resolvido para nós.

Os resultados principais é que a água está na agenda dos tomadores de decisão tanto a nível nacional, regional e local, não é um resultado apenas do fundo, mas em grande. O outro resultado foi poder reunir os atores e usuários de diversas índoles numa única mesa e com apenas um objetivo. Isto é difícil, mas conseguimos também obter um trabalho coordenado e com impacto.

Como resultados deste processo foram criados fundos semelhantes em outros locais do Equador: Ambato, Riobamba, Cuenca, Zamora y Espíndola; na Colombia em: Calí, Bogotá; no Peru em Lima. Para estes novos fundos estamos dando assistência técnica para desenvolver seus programas.

Tucci: 5. Quais são os planos para o futuro?

Pablo: Os planos são de consolidar a institucionalidade em torno da água na bacia (bacia do alto rio Guayallabamba que cobre a Região Metropolitana de Quito). Esta é uma tarefa em desenvolvimento, proposta e liderada pelo FONAG. Confiamos que o sistema de governança proposto (comitê de bacia) será um mecanismo efetivo para agrupar e buscar consensos em decisões responsáveis para o futuro da água na bacia. O papel do FONAG está definido numa proposta de impulsionar e acompanhar a criação e funcionamento do comitê e converter-se em uma secretaria técnica pelo menos nos primeiros anos de funcionamento.

Tucci: 6. Num pais que nos últimos anos tende para o estatísmo, existe risco para este Fundo, que é típico de um sistema capitalista ? (responda se desejar esta pergunta)

Pablo: Nos últimos trinta anos de nossa democracia mais recente, ocorreu um forte debilitamento do aparato estatal que gerou uma reação extremamente oposta. O governo atual quer concentrar e centralizar a tomada de decisões, que compreendo mas comparto, principalmente na gestão da água. A criação de alianças, neste caso entre o público o privado é mais importante para conseguir uma gestão responsável em longo prazo dos recursos hídricos, pois é a essência da gestão integrada.

NIMBY é uma expressão americana que sintetiza “not in my back yard” (não na minha área), uma reação de uma parte da população as ações públicas sobre suas áreas de seu interesse. Todos desejam controle ambiental, infra-estrutura e o que há de apelo público desde que não atinja seu interesse específico.
Parece ter sido este efeito que se viu esta semana na COP15 de Copenhague que tratou de buscar um acordo sobre a redução da emissão de gases que produzem o efeito estufa. Todos desejam controlar as emissões no país dos outros, menos no seu. Isto resultou num tímido acordo sem muitas responsabilidades futuras, sobre uma meta mundial de não aumentar mais de 2º C. Ou seja, todos sabem o desejado, mas cada país busca que o outro faça a redução e poucos desejam cumprir a sua parte, apesar dos discursos.
Além disso, foi possível interpretar que no estágio atual das negociações as dificuldades residem no seguinte:

(a)A maioria dos países apresentou o que já estava na sua agenda de investimento e ação do país, apenas remodelado para parecer ambientalmente adequado, como o caso do Brasil que mencionou vários bilhões de reais que estavam na sua agenda econômica, principalmente em energia hidrelétrica.
(b)Nos Estados Unidos que vinha sendo o maior emissor (passado pela China recentemente), não existe apoio popular a idéia de controlar a emissão dos gases, já que apenas 30% da população acreditam que o aquecimento é devido a causas antrópicas. Isto enfraquece o presidente Obama e fortalece os republicanos no Congresso para impedir medidas legais de controle. Como consequência os representantes americanos não tinham mandato para negociar;
(c)Os países em desenvolvimento como a China que agora se torna um grande emissor não pretende controle interno sobre suas emissões, já que isto representa interferência e pode também ser visto como um meio de espionagem técnica e industrial;
(d)Os países pobres vêm este tema como mais um fundo de apoio que suporte sua economia e procuram pressionar para buscar mais ajuda além da tradicional da cooperação internacional. Neste processo, o foco é perdido na busca de dinheiro e não de soluções efetivas, que passam pelos recursos, mas requer mudanças de procedimentos;
(e)A crise financeira mundial que iniciou em setembro de 2008 fez com que os países tivessem que usar a maioria dos recursos para aumentar a quantidade de dinheiro no mercado para manter o financiamento e evitar o pior. Isto comprometeu e endividou principalmente os países desenvolvidos como Estados Unidos, Inglaterra, Espanha, Itália e atualmente existe um risco de insolvência de países como passou com a Islândia e países do Leste Europeu. Este cenário enfraquece a criação de medidas econômica de apoio a esta causa. Exemplo disto foi a timidez do valor utilizado para criar um fundo de apenas US$ 10 Bilhões, quando a crise econômica representou 5% do PIB Mundial !.

Tudo isto era esperado, portanto não existem surpresas, a questão continuará e a pressão e interesse público é que faz a diferença, pois os decisores estão atentos a opinião de seus eleitores. Em Bonn daqui seis meses e Cidade do México em um ano os decisores continuarão a receber pressões. Este é o processo que poderá levar a medidas mais objetivas no futuro, continuo otimista!!

(*) A questão da incerteza relativa ao efeito antrópico sobre o clima é assunto que vou explorar no futuro neste espaço, já que existe uma legião de profissionais que têm dúvida sobre o real efeito da emissão dois gases.

Esta semana em Copenhague iniciou a conferência do clima para discutir ações para redução de emissões que produzem as mudanças climáticas. Na primeira semana os profissionais (15 mil) tentam encontrar uma saída para o acordo dos países, no final semana chegam os Ministros e na semana seguinte os presidentes que buscarão assinar um acordo para o futuro.

Os cientistas nas últimas duas décadas identificaram que o aumento de CO2 e outros gases na atmosfera está aumentando o efeito estufa. O efeito estufa é o aquecimento do globo terrestre pela retenção das ondas de calor (comprimento longo) emitida pela absorção de radiação solar na superfície. Este aumento se dá pelo acréscimo destes gases na atmosfera. Na era pré industrial a concentração era de 280 ppm de CO2 na atmosfera e atualmente está em 430 ppm, mostrando um aumento significativo. Os dados mostram que a temperatura aumenta junto com o aumento de CO2.

Vários indicadores de aumento de temperatura e de seu efeito têm sido descrito com freqüência no noticiário e em publicações. Estes são indícios de que este processo está ocorrendo. Para estudar os cenários futuros foram desenvolvidos modelos (Existem diferentes formulações de modelos) que representam o globo terrestre. Estes modelos apresentam grande variação entre si e estimam variação de temperatura de 1 a 6º C, com diferentes conseqüências e também de diferentes cenários previstos para futuro considerando as emissões de CO2 pelo desenvolvimento econômico na Terra.

Os questionamentos sobre esta teoria são de que a Terra na realidade está passando por um período mais quente, como já passou no passado, quando também o CO2 aumentou com a temperatura e nada tem a haver com a emissão antrópica existente no Planeta. Nos Estados Unidos somente 30% da população acredita que esteja ocorrendo este efeito.

Os Estados Unidos não assinou o tratado de Kyoto e continua relutante em se comprometer em reduzir as emissões devido ao custo econômico que a mesma terá. A Europa se mostra mais sensível a este processo com um compromisso maior. A China e a Índia não querem se comprometer.

A emissão atual tenderá a aumentar em 20% em 2020. O acordo que se busca procura buscar reduzir em 10%. A redução de emissão de CO2 envolve vários aspectos do desenvolvimento econômico, como a energia, onde grande parte dela emite CO2 como a gasolina e o diesel, a produção de energia elétrica de carvão, a produção pecuária, pois o desmatamento com queima e o próprio gado emite CO2. Portanto não é uma tarefa simples e contraria muitos interesses.

Como tomar decisão sobre um conhecimento incompleto? A ciência mostra ainda incertezas importantes, portanto é razoável desprezar o risco? Parece que não, até porque os riscos são importantes e desnecessários. As ações de mitigação podem gerar aprimoramentos e conhecimento técnico científico nos seus desafios e melhoria ambiental.

A notícia que chega da Conferência, até este momento é de criação de um fundo de investimento para mitigar as emissões, mas também existe muita relutância dos países em se comprometerem com as metas de redução. Provavelmente Copenhague é uma primeira etapa de muitas na busca de uma convergência que provavelmente ocorrerá, sou otimista!!

Nesta semana iniciamos uma série de textos sobre os modelos hidrológicos com os conceitos principais destas ferramentas utilizadas em Recursos Hídricos. Esta é uma sequência de seis matérias que serão postadas no blog ao longo do tempo (provavelmente intercalada por outros assuntos), iniciando com esta e no futuro com os seguintes títulos: desenvolvimento histórico, estrutura, incertezas, usos e desafios.

A representação dos processos hidrológicos através de modelos é a forma encontrada pelo hidrólogo para estudar os diferentes componentes do ciclo hidrológico e as interações antrópicas. Existem várias formas desenvolvidas para modelar a realidade como o protótipo amostral de um espaço físico real, a visão teórica qualitativa dos processos e a formulação matemática de como se processam os diferentes fenômenos. O modelo existe apenas na nossa imaginação (segundo Stephen Hawkins), é uma representação idealizada de como observamos e entendemos a natureza.

Existem modelos de comportamento que descrevem os processos; modelos de otimização que otimizam um ou mais sistemas projetados e podem utilizar os modelos de comportamento; os modelos de planejamento englobam os anteriores e outros, na busca de tomada de decisão para o desenvolvimento ou conservação hídrica.

No desenvolvimento e análise dos modelos existem processos entendidos e representados de forma determinística, ou seja explicado de forma empírica ou conceitual sem o uso de tratamento estatístico e modelos estocásticos que tratam os processos de forma estatística no tempo, ou ainda a combinação dos anteriores. Neste último os processos conhecidos são tratados com equações determinísticas e os resíduos são explicados por tratamento probabilístico.

O uso de técnicas estatísticas e determinística está sempre presente no estudo das formulações dos modelos hidrológicos, devido principalmente ao conjunto de incertezas envolvidas nos dados, heterogeneidade espacial e temporal dos processos e da combinação caótica de vários sistemas não-lineares.

As principais variáveis hidrológicas são estocásticas devido à dificuldade de representação e entendimento do determinismo que produzem a sua variação temporal, que depende essencialmente dos condicionantes climáticos. Os modelos estocásticos têm sido muito utilizados em hidrologia para representar inferir sobre as variáveis dos processos ou complementar os modelos determinísticos.

Os modelos determinísticos buscam a representação dos processos identificados pelo pesquisador através de equações com variáveis que representam valores no tempo e espaço dos fenômenos envolvidos e parâmetros que retratam condições específicas do sistema representado.

A existência de um modelo para simular um processo não garante que os resultados obtidos sejam adequados e as incertezas envolvidas geralmente se relacionam com: a capacidade do modelo em representar os processos; os erros de medidas e representação das variáveis de entradas e; a variabilidade dos parâmetros para representar o sistema.

A capacidade que um modelo possui para descrever os processos envolvidos depende das formulações utilizadas e suas limitações. Por exemplo, um modelo de escoamento de rios que não considera os efeitos de jusante sobre o escoamento de montante pode ser utilizado quando estes efeitos são desprezíveis, caso contrário as estimativas obtidas apresentarão grandes incertezas e o modelo não terá utilidade. A dificuldade que geralmente aparece está em diferenciar a fonte dos erros, quando pelo menos uma das três incertezas destacadas acima ocorrem, ou seja, modelo inadequado, dados deficientes e parâmetros pobremente estimados. Este cenário é mais crítico em problemas onde dificilmente existem dados para provar os resultados dos modelos, como na simulação hidrodinâmica de ondas de rompimento de barragem.

A engenharia tem utilizado com parcimônia muitos dos modelos para gerenciamento dos recursos hídricos, mas muitas vezes sem um exame adequado das suas limitações, o que tem produzido incertezas nas decisões e nos projetos de recursos hídricos.

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