Modelação da qualidade do ar e da saúde humana: da mesoescala à dose

O actual, e crescente, padrão de consumo tem repercussões no ambiente que, inevitavelmente, se reflectem na saúde humana. A poluição atmosférica assume-se, na Europa, como um problema ambiental premente, por ter um elevado impacte na saúde dos cidadãos. Entre estes, há grupos particularmente vulneráveis, como os idosos, os doentes crónicos e as crianças. Vários estudos colocam em evidência a sensibilidade dos doentes asmáticos, em particular das crianças, à poluição atmosférica. No entanto, permanece por esclarecer o facto de a poluição atmosférica poder causar o aumento da prevalência desta doença, assim como a identificação dos principais poluentes atmosféricos responsáveis e os níveis de exposição seguros. O objectivo desta tese consiste no estudo da relação entre a poluição atmosférica e a saúde, contribuindo para o conhecimento nesta temática através do desenvolvimento de uma ferramenta e da sua aplicação a um caso de estudo concreto. Neste caso de estudo analisou-se a relação entre vários poluentes atmosféricos e o agravamento da sintomatologia em crianças asmáticas. Neste âmbito, foi desenvolvido o modelo doseAr, que possibilita o cálculo da exposição e da dose inalada, ao nível individual, de poluentes atmosféricos. Os resultados da aplicação do doseAr permitem a identificação dos microambientes onde a contribuição para a exposição e dose inalada de poluentes é mais relevante. Os microambientes interiores, em particular aqueles onde é desenvolvida actividade física exigente, são identificados como especialmente importantes. A relação entre a exposição e a dose inalada é claramente associada ao agravamento da asma nestas crianças, apesar dos níveis de poluição identificados serem baixos, face aos padrões de qualidade do ar existentes.

Optimal control and numerical optimization applied to epidemiological models

A relação entre a epidemiologia, a modelação matemática e as ferramentas computacionais permite construir e testar teorias sobre o desenvolvimento e combate de uma doença. Esta tese tem como motivação o estudo de modelos epidemiológicos aplicados a doenças infeciosas numa perspetiva de Controlo Ótimo, dando particular relevância ao Dengue. Sendo uma doença tropical e subtropical transmitida por mosquitos, afecta cerca de 100 milhões de pessoas por ano, e é considerada pela Organização Mundial de Saúde como uma grande preocupação para a saúde pública. Os modelos matemáticos desenvolvidos e testados neste trabalho, baseiam-se em equações diferenciais ordinárias que descrevem a dinâmica subjacente à doença nomeadamente a interação entre humanos e mosquitos. É feito um estudo analítico dos mesmos relativamente aos pontos de equilíbrio, sua estabilidade e número básico de reprodução. A propagação do Dengue pode ser atenuada através de medidas de controlo do vetor transmissor, tais como o uso de inseticidas específicos e campanhas educacionais. Como o desenvolvimento de uma potencial vacina tem sido uma aposta mundial recente, são propostos modelos baseados na simulação de um hipotético processo de vacinação numa população. Tendo por base a teoria de Controlo Ótimo, são analisadas as estratégias ótimas para o uso destes controlos e respetivas repercussões na redução/erradicação da doença aquando de um surto na população, considerando uma abordagem bioeconómica. Os problemas formulados são resolvidos numericamente usando métodos diretos e indiretos. Os primeiros discretizam o problema reformulando-o num problema de optimização não linear. Os métodos indiretos usam o Princípio do Máximo de Pontryagin como condição necessária para encontrar a curva ótima para o respetivo controlo. Nestas duas estratégias utilizam-se vários pacotes de software numérico. Ao longo deste trabalho, houve sempre um compromisso entre o realismo dos modelos epidemiológicos e a sua tratabilidade em termos matemáticos.

Modelling the Minho river plume intrusion into the rias baixas

The Minho River, situated 30 km south of the Rias Baixas is the most important freshwater source flowing into the Western Galician Coast (NW of the Iberian Peninsula). This discharge is important to determine the hydrological patterns adjacent to its mouth, particularly close to the Galician coastal region. The buoyancy generated by the Minho plume can flood the Rias Baixas for long periods, reversing the normal estuarine density gradients. Thus, it becomes important to analyse its dynamics as well as the thermohaline patterns of the areas affected by the freshwater spreading. Thus, the main aim of this work was to study the propagation of the Minho estuarine plume to the Rias Baixas, establishing the conditions in which this plume affects the circulation and hydrographic features of these coastal systems, through the development and application of the numerical model MOHID. For this purpose, the hydrographic features of the Rias Baixas mouths were studied. It was observed that at the northern mouths, due to their shallowness, the heat fluxes between the atmosphere and ocean are the major forcing, influencing the water temperature, while at the southern mouths the influence of the upwelling events and the Minho River discharge were more frequent. The salinity increases from south to north, revealing that the observed low values may be caused by the Minho River freshwater discharge. An assessment of wind data along the Galician coast was carried out, in order to evaluate the applicability of the study to the dispersal of the Minho estuarine plume. Firstly, a comparative analysis between winds obtained from land meteorological stations and offshore QuikSCAT satellite were performed. This comparison revealed that satellite data constitute a good approach to study wind induced coastal phenomena. However, since the numerical model MOHID requires wind data with high spatial and temporal resolution close to the coast, results of the forecasted model WRF were added to the previous study. The analyses revealed that the WRF model data is a consistent tool to obtain representative wind data near the coast, showing good results when comparing with in situ wind observations from oceanographic buoys. To study the influence of the Minho buoyant discharge influence on the Rias Baixas, a set of three one-way nested models was developed and implemented, using the numerical model MOHID. The first model domain is a barotropic model and includes the whole Iberian Peninsula coast. The second and third domains are baroclinic models, where the second domain is a coarse representation of the Rias Baixas and adjacent coastal area, while the third includes the same area with a higher resolution. A bi-dimensional model was also implemented in the Minho estuary, in order to quantify the flow (and its properties) that the estuary injects into the ocean. The chosen period for the Minho estuarine plume propagation validation was the spring of 1998, since a high Minho River discharge was reported, as well as favourable wind patterns to advect the estuarine plume towards the Rias Baixas, and there was field data available to compare with the model predictions. The obtained results show that the adopted nesting methodology was successful implemented. Model predictions reproduce accurately the hydrodynamics and thermohaline patterns on the Minho estuary and Rias Baixas. The importance of the Minho river discharge and the wind forcing in the event of May 1998 was also studied. The model results showed that a continuous moderate Minho River discharge combined with southerly winds is enough to reverse the Rias Baixas circulation pattern, reducing the importance of the occurrence of specific events of high runoff values. The conditions in which the estuarine plume Minho affects circulation and hydrography of the Rias Baixas were evaluated. The numerical results revealed that the Minho estuarine plume responds rapidly to wind variations and is also influenced by the bathymetry and morphology of the coastline. Without wind forcing, the plume expands offshore, creating a bulge in front of the river mouth. When the wind blows southwards, the main feature is the offshore extension of the plume. Otherwise, northward wind spreads the river plume towards the Rias Baixas. The plume is confined close to the coast, reaching the Rias Baixas after 1.5 days. However, for Minho River discharges higher than 800 m3 s-1, the Minho estuarine plume reverses the circulation patterns in the Rias Baixas. It was also observed that the wind stress and Minho River discharge are the most important factors influencing the size and shape of the Minho estuarine plume. Under the same conditions, the water exchange between Rias Baixas was analysed following the trajectories particles released close to the Minho River mouth. Over 5 days, under Minho River discharges higher than 2100 m3 s-1 combined with southerly winds of 6 m s-1, an intense water exchange between Rias was observed. However, only 20% of the particles found in Ria de Pontevedra come directly from the Minho River. In summary, the model application developed in this study contributed to the characterization and understanding of the influence of the Minho River on the Rias Baixas circulation and hydrography, highlighting that this methodology can be replicated to other coastal systems.

Wind energy resource modelling in Portugal and its future large-scale alteration due to anthropogenic induced climate changes

The high dependence of Portugal from foreign energy sources (mainly fossil fuels), together with the international commitments assumed by Portugal and the national strategy in terms of energy policy, as well as resources sustainability and climate change issues, inevitably force Portugal to invest in its energetic self-sufficiency. The 20/20/20 Strategy defined by the European Union defines that in 2020 60% of the total electricity consumption must come from renewable energy sources. Wind energy is currently a major source of electricity generation in Portugal, producing about 23% of the national total electricity consumption in 2013. The National Energy Strategy 2020 (ENE2020), which aims to ensure the national compliance of the European Strategy 20/20/20, states that about half of this 60% target will be provided by wind energy. This work aims to implement and optimise a numerical weather prediction model in the simulation and modelling of the wind energy resource in Portugal, both in offshore and onshore areas. The numerical model optimisation consisted in the determination of which initial and boundary conditions and planetary boundary layer physical parameterizations options provide wind power flux (or energy density), wind speed and direction simulations closest to in situ measured wind data. Specifically for offshore areas, it is also intended to evaluate if the numerical model, once optimised, is able to produce power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ measured data than wind measurements collected by satellites. This work also aims to study and analyse possible impacts that anthropogenic climate changes may have on the future wind energetic resource in Europe. The results show that the ECMWF reanalysis ERA-Interim are those that, among all the forcing databases currently available to drive numerical weather prediction models, allow wind power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ wind measurements. It was also found that the Pleim-Xiu and ACM2 planetary boundary layer parameterizations are the ones that showed the best performance in terms of wind power flux, wind speed and direction simulations. This model optimisation allowed a significant reduction of the wind power flux, wind speed and direction simulations errors and, specifically for offshore areas, wind power flux, wind speed and direction simulations more consistent with in situ wind measurements than data obtained from satellites, which is a very valuable and interesting achievement. This work also revealed that future anthropogenic climate changes can negatively impact future European wind energy resource, due to tendencies towards a reduction in future wind speeds especially by the end of the current century and under stronger radiative forcing conditions.

Modelação ecológica no estuário do Sado

Os modelos matemáticos são ferramentas poderosas para avaliar o impacto humano em sistemas costeiros e estuarinos de estrutura complexa. Neste artigo utiliza-se um sistema de modelos matemáticos para simular o comportamento hidrodinâmico e biológico do estuário do Sado. Estudos experimentais de análise da evolução da biomassa de fitoplâncton durante os últimos 10 anos indicam que o ecossistema se encontra numa situação relarivamente estável, exibindo pouca tendência para a eutrofização (Cabeçadas, 1993). Neste Artigo procura-se caracterizar o estado trófico do sistema, confirmar as conclusões obtidas experimentalmente e interpretar os processos que ocorrem na região do estuário.

Análise do risco associado à rotura da barragem de Fernandilho. Modelação hidrodinâmica da onda de cheia

As cheias provocadas por roturas de barragens constituem eventos catastróficos que podem conduzir a perdas consideráveis de vidas humanas e de bens materiais. Para melhorar a segurança, em relação a este risco potencial, torna-se necessário avaliar a segurança da população e das estruturas, existentes ou a construir, e estimar a extensão dos danos em caso de acidente. Neste estudo, após a indicação da legislação em vigor, apresenta-se uma descrição sumária do modelo DamBreak. Descrevem-se as equações básicas que definem o modelo de formação da brecha e que caracterizam o processo de formação da cheia. Também se referem as equações de Saint-Venant, as quais caracterizam o processo de propagação da cheia. De seguida é feita uma descrição da barragem de Fernandilho, do leito do Barranco d

Calibração de um sistema de modelação para o estuário do Guadiana

Com a entrada em funcionamento da barragem do Alqueva o regime de caudais no rio Guadiana irá ser alterado. Actualmente a albufeira do Alqueva encontra-se em fase de enchimento sendo garantido um caudal mínimo de 5 a 10m3/s que passa para o estuário. Neste cenário torna-se importante conhecer o comportamento das principais variáveis físicas que caracterizam o estuário do Guadiana, nomeadamente níveis, correntes salinidade e transito de sedimentos. Neste artigo utiliza-se o sistema de modelação MOHID, efectuando-se a calibração do modelo para as medidas de campo disponíveis. Esta tarefa insere-se num trabalho de modelação mais amplo de caracterização do Guadiana do ponto de vista hidrodinâmico e de transporte de propriedades.

Simulação numérica na avaliação da fiabilidade de estruturas de betão armado

Neste trabalho apresenta-se uma metodologia para a avaliação da fiabilidade de estruturas de betão armado. A metodologia recorre a uma simulação numérica pelo método de Monte Carlo, com adopção de uma técnica de amostragem estratificada de redução de variância, vulgarmente designada por hipercubo latino, para a obtenção da probabilidade de não ser excedido o estado limite último em causa. Aplicou-se a metodologia a um caso prático.

Modelação da qualidade microbiológica da água na Ria Formosa

Este estudo integra-se numa avaliação hidrodinâmica e monitorização microbiológica da qualidade da água da Ria Formosa. A monitorização foi implementada pela DRAOT Algarve com a colaboração da EST, da FCMA e do IST. A metodologia utilizada consiste na aplicação de um modelo matemático para simulação das variáveis hidrodinâmicas e da qualidade da água. Utilizam-se como traçadores os coliformes fecais (CF), considerados indicadores de contaminação fecal pelo Dec-Lei 236/98 de 1 de Agosto, relativo à qualidade de águas do litoral e salobras para fins aquícolas- águas conquícolas. As águas da ria são usadas para cultura de diversas espécies conquícolas de bivalves. Estes são organismos que filtram e retêm no seu interior material particulado existente em suspensão na água tais como os CF entre outros microorganismos presentes na água. Para avaliar a concentração de coliformes nos bivalves e gastrópodes foi desenvolvido um modelo que simula a bioacumulação desta propriedade por parte do bivalve. Da sua aplicação permite classificar a Ria em várias classes conforme o estabelecido no Dec. Lei nº 293/98 de 18 de Setembro.

Modelação hidrológica da bacia drenante da albufeira de Pracana

O uso inadequado do solo assim como práticas agrícolas incorrectas podem ter como consequência a contaminação dos recursos hídricos por poluição de origem difusa.Na perspectiva de identificar possíveis fontes de poluição, o objectivo deste trabalho é quantificar as cargas de nutrientes de origem natural, urbana e agrícola que chegam à albufeira de Pracana. Pretende-se efectuar a análise das alterações de carga resultantes de diferentes cenários do uso do solo, recorrendo à modelação matemática. Este conhecimento vai contribuir para a compreensão dos processos que dão origem à poluição existente na albufeira e os factores que condicionam o seu estado trófico.A ferramenta utilizada para a realização do estudo foi o modelo SWAT (Soil Water Assessment Tool, USDA Agricultural Research Service).

Modelação hidrodinâmica de escoamentos costeiros

As zonas costeiras, os estuários e os sistemas lagunares são regiões de elevada importância do ponto de vista económico devido à intensa actividade nelas desenvolvida. Encontram-se por esse motivo sujeitas a fortes pressões do tipo ambiental. A correcta gestão dos seus recursos deve ser apoiada em ferramentas que possibilitem uma análise precisa dos fenómenos que nelas ocorrem e permitam a previsão da evolução desses sistemas. A recente evolução na capacidade de cálculo dos computadores de pequeno porte tornou viável a utilização de modelos hidrodinâmicos como ferramentas de apoio à decisão.

Influência da modelação de elementos não estruturais no dimensionamento à acção sísmica

Realizou-se um estudo paramétrico sobre a influência de elementos não estruturais, executados em betão, no dimensionamento de elementos estruturais de betão armado, face às acções sísmicas regulamentares.

Modelação do impacte produzido pelo aumento de nutrientes na produção primária do estuário do Sado

Os modelos matemáticos são ferramentas poderosas para avaliar o impacto humano em sistemas costeiros e estuarinos de estrutura complexa. Neste artigo utiliza-se um sistema de modelos para caracterizar o estado trófico do estuário do Sado e para prever a sua evolução baseada em diferentes cenários de intervenção humana. Analisa-se em pormenor o efeito do aumento de nutrientes introduzidos no estuário através do rio. Este estudo permite tirar conclusões sobre o impacte que esse aumento terá sobre o estuário. O sistema de modelação é composto por um modelo hidrodinâmico tridimensional às equações primitivas e modelos de transporte acoplados a modelos de transporte de sedimentos, modelos de qualidade da água e modelos ecológicos. O modelo hidrodinâmico encontra-se calibrado e validado para o sistema. Utilizam-se dados de campo de nutrientes e de fitoplâncton para comparação com os resultados do modelo. Analisam-se as características do sistema e efectua-se uma análise de sensibilidade do comportamento biológico do estuário face ao aumento da carga de nutrientes. As conclusões principais são: Confirmação da adequabilidade da metodologia utilizada para a simulação da situação actual do estuário; Pequena sensibilidade do estuário a aumentos moderados da carga de nutrientes; Sensibilidade moderada do estuário para elevadas cargas de nutrientes.

Qualidade da água na Ria Formosa: combinando técnicas de amostragem e de modelação para uma gestão integrada das águas residuais

Aplica-se uma técnica combinada de amostragem clássica, perfilagem in situ com sonda multiparamétrica e modelação matemática para avaliar a qualidade da água da Ria Formosa como meio receptor dos efluentes das ETAR’s. O sistema de modelação desenvolvido baseia-se num modelo hidrodinâmico que resolve as equações de águas pouco profundas pelo método dos volumes finitos acoplado a um modelo de transporte Lagrangiano para a simulação das plumas microbiológicas. Este sistema é usado como ferramenta de gestão para ensaiar diferentes cenários de descarga com variação da localização do ponto de descarga, analisando o impacto das alternativas no meio receptor.

Modelação do crescimento de Sardina pilchardus (Walbaum, 1792) em duas zonas (oceanograficamente distintas) da costa portuguesa

Dissertação mest., Biologia Marinha, Universidade do Algarve, 2009