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.

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.

Compostos organoclorados em uma raia criticamente ameaçada, Gymnura altavela (LINNAEUS, 1758), no estuário da Baía de Guanabara, Rio de Janeiro, Brasil.

Nos últimos anos, temas envolvendo a conservação de elasmobrânquios têm recebido maior atenção em muitos países. Muitas espécies passaram a ser consideradas ameaçadas de extinção pela IUCN, demonstrando a necessidade de ordenamento pesqueiro e elaboração de planos de manejo. Os Poluentes Orgânicos Persistentes correspondem a mais uma ameaça para esse grupo de peixes, no entanto, estudos envolvendo a contaminação desses organismos são recentes e vêm aumentando nos últimos anos. O presente estudo teve como objetivo principal a quantificação de compostos organoclorados em tecido hepático de uma espécie de raia criticamente ameaçada raia-borboleta, Gymnura altavela, residente na Baía de Guanabara, um dos ambientes estuarinos mais impactados do Brasil. Além disso, investigouse a influência de fatores biológicos, tais como estágio de maturidade sexual, sexo, tamanho e porcentagem de lipídio na matriz analisada, sobre os perfis de contaminação por esses xenobióticos. As concentrações dos compostos organoclorados foram determinadas com a utilização do cromatógrafo de fase gasosa com detector de captura de elétrons (CG-DCE), da marca Agilent Technologies, modelo 7890. Nossos resultados mostraram que as bifelinas policloradas (PCB) representam a classe mais importante de contaminantes com concentração média de 6.772,8 ( 4.659,4) ng.g-1 de lipídio e a maior concentração foi 18.513,1 ng.g-1 de lipídio em um indivíduo macho e jovem. Desse total, 66,5% foram representados pelos congêneres de PCBs 153>138>180>101>170. Quanto ao número de átomos de cloro, os PCBs pertences à classe dos hexa-clorados foram os mais abundantes. A concentração média do ΣDDT foi 646,0 ( 722,4) ng.g-1 de lipídio e o isômero mais representativo foi o p,p DDE com 65,7% do total. O ΣHCH, o HCB e o Mirex representaram 0,13% da contaminação total em G. altavela sendo, portanto, os compostos com as menores contribuições. A razão representada pela fórmula ΣDDT/ΣPCB foi de 0,09, caracterizando uma predominância de compostos de origem industrial. As correlações de Spearman apontaram para uma diminuição das concentrações do ΣPCB, ΣHCH e Mirex à medida que os indivíduos crescem. Não foram encontradas diferenças nas concentrações em relação aos diferentes estágios de maturidade sexual e entre machos e fêmeas.

Metodologia de gestão dinâmica do estuário do Sado

O estuário do Sado é um sistema litoral onde existem conflitos de gestão ambiental, uma vez que por um lado, localiza-se junto da zona industrial da Península de Setúbal e por outro lado, uma grande parte da sua área está classificada como Reserva Natural. Sendo uma área de especial sensibilidade, torna-se necessário implementar modelos de gestão, que passam pela elaboração de metodologias que avaliem o estado de qualidade da zona costeira. O objectivo deste trabalho é apresentar uma metodologia conceptual de gestão do estuário do Sado, ligado a um modelo dinâmico e ecológico suportado por uma infraestrutura de informação do tipo DPSIR e com base num sistema SIG (Sistema de Informação Geográfica). Desta forma pretende-se integrar a avaliação da qualidade do ecossistema, com base em indicadores da qualidade ambiental previamente seleccionados, com informação socio-económica. Nesta metodologia as propostas de intervenção e a avaliação do seu impacte no estuário são baseadas nos dados ambientais recolhidos e nas previsões dos efeitos dessas acções. Pretende-se que a modelação dinâmica e ecológica do sistema desempenhe um papel fundamental tanto na caracterização do estuário como nas propostas de intervenção. A simulação permite a caracterização do sistema, a comparação de cenários alternativos e a quantificação do impacte de acções de intervenção. Os dados de campo e os resultados da modelação são integrados numa plataforma comum que facilite o relacionamento e o cruzamento de toda a informação. Esta metodologia permitirá assim a elaboração de uma interface de suporte à gestão/decisão do Estuário do Sado para entidades com poder de decisão sobre este ecossistema.

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.

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.

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.

Influência de plumas de água doce na hidrodinâmica do estuário da Ria de Arousa (NW Espanha), uma abordagem de modelação matemática

Localizada na parte sul da costa da Galiza, a ria de Arousa, tem um interesse particular devido à sua importante indústria de exploração de marisco, especialmente culturas de bivalves. O crescimento, qualidade e mortalidade destes bivalves não só são afetados por possíveis incidentes de poluição, mas também por episódios de grande run-off, que podem produzir decréscimos sazonais significativos de salinidade. Neste contexto, a presente dissertação pretende contribuir para uma melhor compreensão de como as plumas de água doce provenientes dos rios vão influenciar os gradientes de salinidade e temperatura no estuário da ria de Arousa. O objetivo é proceder a uma melhoria da previsão hidrodinâmica do modelo operacional oceanográfico desta ria, que é executado diariamente pela MeteoGalicia. Para atingir esse objectivo executaram-se simulações numéricas para diferentes cenários de forçamento. Foram escolhidos dois períodos com diferentes condições meteorológicas: um período de inverno, coincidindo com chuvas fortes e um período de verão, coincidindo com a ausência de precipitação. Foi aplicado o modelo hidrodinâmico MOHID (Hydrodynamic Model) para simular os processos físicos da ria de Arousa, utilizando a metodologia de modelos encaixados. O forçamento para a superfície foi imposto através do modelo atmosférico WRF (Weather Regional Forecast), que fornece as variáveis meteorológicas necessárias. Para fronteira terra, uma ferramenta hidrológica foi implementada, o modelo SWAT (Soil water Assessment Tool), este providencia as descargas de água doce para os principais rios da região. É feita neste trabalho uma descrição da implementação deste sistema, assim como a caracterização da área de estudo. Os resultados do modelo foram comparados com medidas provenientes de bóias oceanográficas e perfis de CTDs (Conductivity-Temperature-Depth instrument) em diferentes localizações.

Estrutura e dinâmica dos habitats e da paisagem dos sítios Estuário do Sado e Comporta Galé : um contributo para a gestão e restauro ecológico

Tese de doutoramento, Geografia (Geografia Física), Universidade de Lisboa, Instituto de Geografia e Ordenamento do Território, 2014

Caracterização da cobertura vegetal em pastagem plantada pós-abandono em várzea do estuário Guajarino, nordeste do Estado do Pará.

2016

Dinâmicas de revitalização de frentes Ribeirinhas no período Pós-Industrial: o Arco Ribeirinho Sul do Estuário do Tejo

Tese apresentada para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Doutor em Geografia e Planeamento Regional