PHD 5029 Modelos de Planejamento e Gerenciamento de Recursos

Hídricos

Conceitos Básicos

Mario Thadeu Leme de Barros

Vantagens do Enfoque Sistemático

•é organizado

•enfoca o problema global e as interações entre todas as partes do sistema

•é interdisciplinar e promove a comunicação entre todas as disciplinas envolvidas no projeto

•promove soluções criativas e inovadoras

•fornece a sensibilidade das soluções selecionadas a incertezas envolvidas na análise

Modelos

Modelo: representação simplificada do sistema real que se deseja analisar

O emprego do modelo se justifica porque:

•a análise do sistema real é muito mais cara do que a utilização de modelos

•O custo de cometer erros e/ou realizar experiências com o sistema real é incomparavelmente maior do que o custo de exploração intensiva do modelo

•modelos são ferramentas de aprendizado uma vez que processos de tentativa e erro podem ser explorados a custos baixos e não só contribuem para a melhor compreensão do sistema, mas também estimulam a concepção de novas idéias e linhas de ação

•modelos são instrumentos muito eficientes para treinamento quando desenvolvidos ou adaptados especificamente para esta finalidade

•modelos conferem flexibilidade às análises porque:”encurtam” o tempo pois permitem que muitos anos sejam analisados em tempos extremamente curtos, diferentes alternativas podem ser analisadas muitas vezes mediante simples alterações de parâmetros

Critérios para escolha do modelo

•Precisão: deve representar a realidade de forma suficientemente próxima para permitir a tomada de decisões com base em seus resultados

•Simplicidade:o modelos deve possuir um número reduzido de parâmetros e variáveis além de uma estrutura que representa somente a essência do sistema

•Robustez: deve representar bem a realidade com o menor número possível de parâmetros (critério associado à validação do modelo)

•Transparência: o usuário pode testar o modelo e fazer experiências diversas (introduzir alterações)

•Adequação: o modelo deve dispor de formas de iteração com o usuário que sejam claras, simples e inequívocas (depende do tipo, formação, experiência e conhecimento do usuário)

Classificação dos Modelos:

•Memória: é o espaço de tempo, no passado, durante o qual a entrada afeta o estado presente do sistema

•Linearidade: é linear quando as propriedades de superposição e homogeneidade são satisfeitas

•Contínuo e Discreto: em relação ao tempo

•Concentrado e Distribuído: leva em conta ou não a variabilidade espacial

•Estocástico e Determinístico quando a relação entre a entrada e a saída é estatístico ou não

•Conceitual e Empírico: as funções levam ou não em consideração os processos físicos

Avaliação e equacionamento: definição do problema, objetivos e justificativa

Representação do sistema:escolha dos modelos para atender os objetivos

Coleta e Análisedos dados e parâmetros

Modelos:hidrológicoshidráulicosmeio ambienteplanejamento

Técnicas Matemáticas:métodos numéricosotimizaçãoestatísticageoprocessamento

Ajuste eVerificação

Previsão deCenários

Tomada de Decisão

Análise EconômicaSocial e

Ambiental

Modelo

Simulação

Modelos MatemáticosRecursos Hídricos e Meio Ambiente

d ete rm in ís ticos es ta tís t icos es tocá s ticos

H id ro ló g icos /E co ló g icos

s im u laçã o tom ad a d e d ec isã o o tim izaçã o

A n á lise d e S is tem as

M od e los

Modelos MatemáticosRecursos Hídricos e Meio Ambiente

q u an tid ad e q u a lid ad e

d in â m icos ch u va x vazã o

d eterm in ís ticos

corre laçã o/reg ressã o an á lise d e freq u ê n c ia

es ta tís ticos

cad e ias d e M arkov sé ries tem p ora is

es tocá s ticos

H id ro ló g icos /E co ló g icos

Modelos MatemáticosRecursos Hídricos e Meio Ambiente

an á lise d e d ec isã o s im u laçã o

P L P D L ag ran g e P N L

d ete rm in ís tica

P D E P L E

es tocá s tica

o tim izaçã o

an á lise d e s is tem as

Construção do Modelo

SimulaçãoEstrutura Básica

•Variáveis de Entrada

•Variáveis de Estado

•Variáveis de Saída

•Parâmetros do Modelo

•Intervalo de Tempo

O Problema Básico

Elementos:

Função (ou Funções) Objetivo - F(X,Y)

Variáveis de Decisão - Vetor X=(x1, x2,....xn)

Variáveis de Estado - Vetor Y=(y1, y2,...yn)

Equações de Restrição - G(X,Y)

Problema: Max ou Min {F(X)} sujeito às equações G(X,Y)

Otimização

Agências Americanasenvolvidas em Modelos de Recursos Hídricos

•US Corps of Engineers (USACE) - Hydrologic Engineering Center, Institute for Water Resources e Water Experiment Station;

•US Geological Survey, Water Resources Division (WES);

•National Weather Services (NWS);

•Soil Conservation Service (USDA);

•US Bureau of Reclamation (USBR);

•Environmental Protection Agency (EPA) - Center for Exposure Assessment Modeling (CEAM), Center for Subsurface Modeling Support e Exposure Models Library and Integrated Model Evalution System (EML/IMES);

•International Ground Water Modeling Center (IGWMC);

•National Technical Information Service (NTIS-USDC);

•McTrans center for Microcomputers in Transportation.

Modelos de Operação de Reservatórios e Sistemas de Recursos Hídricos

A operação de sistemas de reservatórios compreende:

•alocar armazenamento e vazões entre múltiplos usos e usuários;

•minimizar o risco e as consequências da falta d’água e das enchentes;

•otimizar o uso da água, da energia e do solo;

•gerenciar o meio ambiente.

Tipos de modelos: simulação, otimização e combinação dos dois.

Funções Objetivo empregadas na

Otimização de Sistemas de Recursos Hídricos

Custos e Benefícios Econômicos

•Maximizar o abastecimento público e/ou o retorno da geração hidroelétrica;

•Minimizar o custo operacional de sistema hidrotérmicos;

•Minimizar as perdas econômicas devido a falta de água;

•Minimizar o custo de bombeamento em sistemas de distribuição de água;

•Minimizar as perdas associadas a eventos de enchente;

•Maximizar o benefício líquido da operação com finalidades múltiplas;

•Minimizar custos com operação de finalidades múltiplas.

Funções Objetivo empregadas na

Otimização de Sistemas de Recursos Hídricos

Disponibilidade de Água e Confiabilidade•Maximizar a vazão firme para determinadas confiabilidades ou confiabilidades para demandas específicas;

•Minimizar a frequência de falhas e/ou volumes;

•Minimizar índices de falhas, como por exemplo o desvio quadrado entre uma meta e a vazão derivada;

•Minimizar a somatória ponderada de índices de perdas;

•Maximizar a vazão mínima;

•Maximizar o armazenamento no final do período de otimização;

•Minimizar vertimentos;

•Minimizar perdas por evaporação;

•Minimizar a variação mensal do armazenamento;

•Maximizar o período de navegação;

•Minimizar o volume total de água para o mínimo necessário para navegação;

Funções Objetivo empregadas na

Otimização de Sistemas de Recursos Hídricos

Geração Hidroelétrica

• Maximizar a energia firme;

•Maximizar a média anual de energia;

•Minimizar falta de energia ou índices de falta de energia;

•Maximizar a energia potencial armazenada no sistema;

•Minimizar o desvio ao quadrado de níveis meta;

•Minimizar energia vertida;

•Minimizar o uso de térmicas (custo).

Alguns Modelos de Simulação (generalizados) - USACE - Corps of Engineers

•HEC-3 Reservoir System Analysis for Conservation (substituído pelo HEC-5);

•HEC-5 Simulation of Flood Control and Conservation Systems - trabalha com diferentes intervalos de tempo;

•SUPER - Generalized reservoir system simulation model (USACE-Southwestern Division) - trabalha a nível diário;

•BRASS (USACE - Savannah District) - Basin Runoff ans Streamflow Simulation model;

•SSARR - Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation - (USACE-North Pacific Division);

•HYSSR (Hydro System Seasonal Regulation , HLDPA (Hourly Load Distribution and Pondage Analysis Program) e HYSYS (Hydropower System Regulation) - USACE North Pacific Division.

Alguns Modelos de Simulação (generalizados) -

• MITSIM - developed by Massachusetts Institute of Technology (MIT)

•TAMUWRAP - The Water Rights Analysis Package do Texas A&M University

•IRIS - Interactive River System Simulation from Ford Foundation, UNEP, IIASA and Cornell University, versão nova é o chamado IRAS (Interactive River-Aquifer Systems).

Modelos baseados em network flow programming

•MODSIM - do Colorado State University, baseado (origem) no SIMYLD-II do Texas Water Development

•HEC-PRM do Hydrologic Eng. Center, trabalh em conjunto com o HEC-DSS (Data Storage System)

•SIMYLD-II do Texas Water Development Board

•RESOP-II idem (para um único reservatório)

•AL-V - Surface Water Resources Allocation Model and SIM-V Multireservoir and Optimization Model - idem

•Central Resource Allocation Model (CRAM) - For water supply master plan of Boulder, Co. (origem no MODSIM)

Alguns Modelos de Simulação (generalizados) -

Modelos baseados em network flow programming

• Water Assignment Simulation Package (WASP) - water supply system of Melbourne, Australia;

•DWRSIM - California Dept. of Water Resouces (combined operation of the State Water Project and Central Valley (origem HEC-3);

Modelos baseados em programação orientada: pacotes flexíveis que combinam interfaces gráficas, banco de dados e modelos de simulação

•RSS - The River Simulation System Center for Advanced Decision Support for Water and Environmental Systems (CADSWES) - US Bureau of Reclamation (sendo desenvolvido para o TVA) (1994);

•CALIDAD - Object Oriented River Basin Modeling Framework - US Bureau of Reclamation (1994)