Problemas inversos aplicados à identificação de parâmetros hidrodinâmicos de um modelo do estuário do rio Macaé

Esta tese tem por objetivo propor uma estratégia de obtenção automática de parâmetros hidrodinâmicos e de transporte através da solução de problemas inversos. A obtenção dos parâmetros de um modelo físico representa um dos principais problemas em sua calibração, e isso se deve em grande parte à dificuldade na medição em campo desses parâmetros. Em particular na modelagem de rios e estuários, a altura da rugosidade e o coeficiente de difusão turbulenta representam dois dos parâmetros com maior dificuldade de medição. Nesta tese é apresentada uma técnica automatizada de estimação desses parâmetros através deum problema inverso aplicado a um modelo do estuário do rio Macaé, localizado no norte do Rio de Janeiro. Para este estudo foi utilizada a plataforma MOHID, desenvolvida na Universidade Técnica de Lisboa, e que tem tido ampla aplicação na simulação de corpos hídricos. Foi realizada uma análise de sensibilidade das respostas do modelo com relação aos parâmetros de interesse. Verificou-se que a salinidade é uma variável sensível a ambos parâmetros. O problema inverso foi então resolvido utilizando vários métodos de otimização através do acoplamento da plataforma MOHID a códigos de otimização implementados em Fortran. O acoplamento foi realizado de forma a não alterar o código fonte do MOHID, possibilitando a utilização da ferramenta computacional aqui desenvolvida em qualquer versão dessa plataforma, bem como a sua alteração para o uso com outros simuladores. Os testes realizados confirmam a eficiência da técnica e apontam as melhores abordagens para uma rápida e precisa estimação dos parâmetros.

Quantificação de metais (Al, Fe, Mn, Pb, Zn e Cu) nos sedimentos do sistema estuarino das Ilhas de Tinharé-Boipeba (Bahia - Brasil)

O sistema estuarino das Ilhas de Tinharé-Boipeba está inserido na região do Baixo Sul baiano (Bahia Brasil), costa nordeste brasileira, e conectam-se com o oceano através de três saídas principais, Morro de São Paulo, Boipeba e Barra dos Carvalhos. Informações relacionadas à presença de metais no sedimento são quase inexistentes para a região. Nestes estuários foram coletadas 40 amostras de sedimento, onde analisou-se a concentração de metais (Al, Cu, Fe, Mn, Pb e Zn) através da extração com água-régia, segundo o protocolo do material de referência BCR-701 (RAURET et al., 2001). Baixas concentrações de metais foram registradas nas proximidades das saídas para o mar e no Canal de Garapuá e Rio Grande. Altas concentrações, porém praticamente dentro dos valores de referência na CONAMA 344/04, foram registradas no Rio Una, na maior parte do Rio Cairu, Rio das Almas, em quase todas as estações, no braço leste do Rio Cairu e na porção intermediária do Rio dos Patos. As concentrações dos metais (mg.kg1) apresentaram valores entre os seguintes intervalos, Al (3,57 x 104 a 3,19 x 102), Cu (1,02 x 102 a 0,35), Fe (4,33 x 104 a 2,05 x 102), Mn (1,44 x 103 a 2,73), Pb (6,67 x 101 a 2,66) e Zn (5,08 x 102 a 3,18). Através da análise estatística ACP (Análise dos Componentes Principais) e dos gráficos de correlação entre a granulometria do sedimento (areia, silte e argila) e os metais, observou-se maiores concentrações de metais com o aumento do percentual de silte e diminuição do percentual de areia. Também se identificou uma forte correlação entre a ocorrência do fósforo e a presença de metais. Acredita-se que a principal espécie química em questão seja o fosfato (PO43 ou P2O5) que é uma base dura, onde a ligação com os metais se dá pelo oxigênio, sendo o caráter iônico relevante. Não foi identificada uma correlação entre a presença de metais e a argila, fato atribuído ao baixo teor dessa granulometria para todas as amostras do estudo e a composição da argila desses estuários

Determinação de uma fonte de contaminantes no estuário do Rio Macaé através da técnica de problemas inversos

Um grande desafio da atualidade é a preservação dos recursos hídricos, bem como o correto manejo dos mesmos, frente à expansão das cidades e às atividades humanas. A qualidade de um corpo hídrico é usualmente avaliada através da análise de parâmetros biológicos, físicos e químicos. O comportamento de tais parâmetros pode convenientemente ser simulado através de modelos matemáticos e computacionais, que surgem assim como uma ferramenta bastante útil, por sua capacidade de geração de cenários que possam embasar, por exemplo, tomadas de decisão. Nesta tese são discutidas técnicas de estimação da localização e intensidade de uma fonte de contaminante conservativo, hipoteticamente lançado na região predominantemente fluvial de um estuário. O lançamento aqui considerado se dá de forma pontual e contínua e a região enfocada compreendeu o estuário do Rio Macaé, localizado na costa norte do Rio de Janeiro. O trabalho compreende a solução de um problema direto, que consiste no transporte bidimensional (integrado na vertical) desse contaminante hipotético, bem como a aplicação de técnicas de problemas inversos. Para a solução do transporte do contaminante, aqui modelada pela versão 2D horizontal da equação de advecção-difusão, foram utilizados como métodos de discretização o Método de Elementos Finitos e o Método de Diferenças Finitas. Para o problema hidrodinâmico foram utilizados dados de uma solução já desenvolvida para estuário do Rio Macaé. Analisada a malha de acordo com o método de discretização, foram definidas a geometria do estuário e os parâmetros hidrodinâmicos e de transporte. Para a estimação dos parâmetros propostos foi utilizada a técnica de problemas inversos, com o uso dos métodos Luus-Jaakola, Algoritmo de Colisão de Partículas e Otimização por Colônia de Formigas para a estimação da localização e do método Seção Áurea para a estimação do parâmetro de intensidade da fonte. Para a definição de uma fonte, com o objetivo de propor um cenário experimental idealizado e de coleta de dados de amostragem, foi realizada a análise de sensibilidade quanto aos parâmetros a serem estimados. Como os dados de amostragem de concentração foram sintéticos, o problema inverso foi resolvido utilizando-os com e sem ruído, esse introduzido de forma artificial e aleatória. Sem o uso de ruído, os três métodos mostraram-se igualmente eficientes, com uma estimação precisa em 95% das execuções. Já com o uso de dados de amostragem com ruídos de 5%, o método Luus-Jaakola mostrou-se mais eficiente em esforço e custo computacional, embora todos tenham estimado precisamente a fonte em 80% das execuções. Considerando os resultados alcançados neste trabalho tem-se que é possível estimar uma fonte de constituintes, quanto à sua localização e intensidade, através da técnica de problemas inversos. Além disso, os métodos aplicados mostraram-se eficientes na estimação de tais parâmetros, com estimações precisas para a maioria de suas execuções. Sendo assim, o estudo do comportamento de contaminantes, e principalmente da identificação de fontes externas, torna-se uma importante ferramenta para a gestão dos recursos hídricos, possibilitando, inclusive, a identificação de possíveis responsáveis por passivos ambientais.

Caracterização ambiental preliminar de um sistema rio estuário tropical em área de Mata Atlântica, Ilha Grande (RJ).

O presente trabalho visa contribuir para a valorização e conservação dos cursos dágua e biodiversidade em área de Mata Atlântica no Estado do Rio de Janeiro, através da caracterização ambiental preliminar do sistema rio - estuário Córrego Andorinhas, localizado no Parque Estadual da Ilha Grande (RJ), utilizando indicadores abióticos e bióticos. As amostragens ocorreram de 20/10/11 a 22/10/11, pela manhã e tarde, em duas profundidades de três estações. O fitoplâncton e protozooplâncton foram coletados com frascos de polipropileno (500 ml), fixados com formaldeído 2% neutralizado com bórax e analisados em câmaras de sedimentação de Uthermöl. O zooplâncton foi coletado com rede de 68 μm de malha, fixado com formaldeído 4% neutralizado com bórax e analisado em subamostras. Variáveis abióticas foram analisadas in situ com sondas. Os nutrientes foram coletados com garrafa de Van Dorn e frascos de polipropileno, congeladas e levadas para análise no laboratório de Geoquímica da UFF. A estação AN-01 apresentou menores valores de temperatura da água (19 C), condutividade (2,3 μS/cm) e turbidez (1,1 UNT), mas com maiores valores de OD (9,6 mg/L). Maiores valores de turbidez (6,9 UNT) e pH (7,7) foram registrados na estação AN-02, enquanto a estação AN-03 apresentou maiores valores de temperatura da água (23,7 C) e condutividade (1951 μS/cm). O fitoplâncton apresentou valores máximos nas estações AN-02 manhã em 22/10/11 (4,28 x 103 ind/L) e AN-03 tarde em 20/10/11(3,4 x 103 ind/L). O zooplâncton apresentou valores máximos na estação AN-03 manhã (421,2 x 103 ind/L) e tarde (45,8 x 103 ind/L). Os valores máximos registrados para protozooplâncton foram registrados nas estações AN-02 manhã em 22/10/11 (35,1 x 103 ind/L) tarde em 21/10/11 (12,6 x 103 ind/L). A partir dos dados abióticos, caracterizou-se o sistema como oligo-mesotrófico, com características distintas em seus pontos de coleta: A dominância de sarcodinos, diatomáceas e calanóides, em riqueza e densidade, demonstram o caráter estuarino, pois protozoários são indicadores de ambientes lóticos continentais, calanóides de ambientes marinhos e diatomáceas representantes de ambos os ambientes. Este estudo preliminar demonstrou a integridade ambiental do estuário, fato que reflete em sua preservação e da Mata Atlântica em seu entorno.

Fluxo de carbono orgânico particulado e dissolvido no estuário do rio Barra Grande em Vila Dois Rios, Ilha Grande, RJ.

Os estuários são ambientes costeiros semifechados, que atuam como um sítio de troca de água e de matéria. De acordo com suas características, estuários podem exportar ou importar matéria orgânica (MO). A MO é um complexo bioquímico formado por diversos compostos orgânicos, e sua quantificação é normalmente traduzida pela quantidade de carbono orgânico total (COT), seu elemento mais abundante, tanto na forma de carbono orgânico dissolvido (COD), quanto carbono orgânico particulado (COP). Determinar a origem do carbono orgânico pode auxiliar na compreensão da dinâmica da MO, podendo ser feita com auxílio de isótopos estáveis de carbono (13C) e de nitrogênio (15N). Vila Dois Rios, é um vilarejo localizado ao sul da Ilha Grande, onde se localiza o rio Barra Grande, que possui pouca intervenção antrópica. Esse é um rio de porte pequeno, com uma mata ciliar bem preservada, representada por espécies de Mata Atlântica, com presença de manguezal, ao lado está localizado o Centro de Estudos Ambientais e Desenvolvimento Sustentável (CEADS). Foram realizadas amostragens sazonais, todas em maré de sizígia, ao longo do ano de 2012, totalizando quatro coletas trimestrais. Todas as campanhas ocorreram em uma estação fixa, na foz do rio Barra Grande. A amostragem de água foi realizada em duas profundidades, superfície e fundo, coletadas em intervalos de 30 minutos, ao longo de 25 horas, para as seguintes determinações: carbono orgânico particulado (COP), carbono orgânico dissolvido (COD) e isótopos estáveis de carbono (13C) e de nitrogênio (15N). Concomitantemente, foram medidos in situ: pH, salinidade, temperatura, oxigênio dissolvido (OD), profundidade do Disco de Secchi e medidas de fluxo. Ao fim da amostragem na Ilha Grande, o material coletado foi transportado para o Laboratório de Geoquímica Orgânica Marinha (LaGOM), na UERJ, onde foi analisado posteriormente. Durante todas as campanhas, foi observada uma maré mista, predominantemente semidiurna com desigualdade. Os resultados de temperatura e salinidade evidenciaram uma estratificação vertical em todas as campanhas. Os valores medianos de MPS foram sempre maiores no fundo em relação às amostras coletadas na superfície. O carbono orgânico apresentou maiores concentrações sob a forma dissolvida do que na particulada, variando entre as profundidades e as campanhas, sendo observadas maiores concentrações medianas, tanto de COD quanto de COP, em superfície e no fundo, na campanha de verão. As concentrações medianas de Nt observadas ao longo das três campanhas foram baixas, estando relacionadas às baixas concentrações de COP. A razão molar C/N e as isotópicas indicaram que o manguezal demonstrou ser a fonte mais abundante de COP nesse estuário. Os cálculos de fluxo indicaram que o estuário tanto importou, quanto exportou material, e apenas o COD foi importado em todas as campanhas.