Modelagem_SisBAHIA

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Modelagem para Previsão de Efeitos de Intervenções de Engenharia de Recursos Hídricos (www.sisbahia.coppe.ufrj.br) 
Objetivo:	
	Apresentar o SisBaHiA – Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental
como ferramenta para:
Gestão Ambiental Integrada de Recursos Hídricos
Estudos e Projetos	
Desenvolvimento de Pesquisas Básica e Aplicada
Paulo Cesar Colonna Rosman
Dept. Recursos Hídricos & Meio Ambiente
Área de Engenharia Costeira & Oceanográfica
Escola Politécnica & COPPE
Universidade Federal do Rio de Janeiro
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AECO
COPPE/UFRJ
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AECO
COPPE/UFRJ
Importância e Confiabilidade dos Modelos em Estudos de Previsão de Intervenções de Engenharia
Modelos calibrados são ferramentas indispensáveis à gestão e ao gerenciamento de sistemas ambientais, pois permitem:
integrar informações espacialmente dispersas,
estender o conhecimento para regiões nas quais não há medições,
ajudar a interpretação de medições feitas em estações pontuais,
prever situações simulando cenários futuros, etc. 
Confiabilidade do SisBaHiA:
	Coerência entre medições e resultados de modelos
 	=== depende dos dados básicos de entrada!!! ===
Mapeamento geométrico  depende do refinamento da malha (>95 %)
Níveis de água  ~ 90% podendo passar de 95% após calibração
Correntes  ~ 70% podendo passar de 90% após calibração
Transporte advectivo-difusivo de substâncias  similar às correntes
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O Processo de Modelagem
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COPPE/UFRJ
SisBaHiA 
Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental
SisBaHiA: desenvolvido na Área de Engenharia Costeira e Oceanográfica da COPPE/UFRJ. O SisBaHiA vem sendo utilizado, ampliado e aperfeiçoado na COPPE/ UFRJ desde 1987. 
	O SisBaHiA 8 contém:
Modelo hidrodinâmico tridimensional (3D) e modelo promédio na vertical (2DH).
Modelo de Geração de Ondas de Vento. 
Modelo de Propagação de Ondas. 
Módulo de Análise & Previsão de Marés.
Modelo Euleriano de transporte de escalares para escoamentos 2DH, ou camadas de escoamentos 3D.
Sistema Modelos de Qualidade de Água e Eutrofização: OD-DBO, Nitrogênio, Fósforo, Biomassa, Salinidade e Temperatura.
Modelo Lagrangeano de transporte de escalares, livre ou condicionado por ondas e correntes, para escoamentos 3D ou 2DH, com resutados determinísticos e probabilísticos.
Modelos de Transporte de Sedimentos (2DH) morfodinâmico acoplado à hidrodinâmica ou potencial se desacoplado. 
Para maiores detalhes, incluindo como obter gratuitamente o SisBaHiA, acesse www.sisbahia.coppe.ufrj.br
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AECO
COPPE/UFRJ
Importância do uso de Modelos
Em cada uma das três áreas, o uso de modelos
permite análises de: 
Diagnósticos:
Otimização de custos de monitoramento e medição integrando informações espacialmente dispersas.
Estender o conhecimento para regiões nas quais não há medições: único modo consistente de interpolar e extrapolar medições, viabilizando um conhecimento amplo da região de interesse, minimizando e otimizando o monitoramento de variáveis ambientais.
Entender processos dinâmicos, ajudando na interpretação de medições feitas em estações pontuais.
Prognósticos:
Prever situações simulando cenários para Estudos e Projetos de Engenharia.
Indispensável para Licenciamento Ambiental: mapeamento de áreas de risco, determinação de destinos prováveis de contaminantes, etc.
Prever situações para Planos de Contingência e Mitigação, e definição de estratégias de ação em caso de acidentes (e.g. derrames de óleo).
Prever evolução de eventos em tempo real, o que é fundamental para planejamento de Ações Emergenciais.
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AECO
COPPE/UFRJ
Garantias para Confiabilidade dos Modelos em Estudos de Previsão de Intervenções de Engenharia
Modelagem Digital do Terreno – Validação Nível 1:
Garantir que a geometria do corpo de água implementada no sistema de modelos esteja correta, e seja condizente com a existente na época de medições de níveis e correntes. Garantir que as escalas de discretização tenham escalas condizentes com o fenômeno de interesse. Discrepâncias entre dados de batimetria e contornos vistos pelo modelo e os dados reais e escalas de discretização inadequadas são freqüentes causas de diferenças entre valores medidos e valores computados. 
Modelagem Hidrodinâmica - Validação Nível 2:
Garantir que os forçantes dos escoamentos, e.g. dados de níveis de água, ventos e vazões fluviais, estejam corretamente implementados no sistema de modelos, e sejam condizentes com os existentes na época de medição de níveis e correntes. Erros na especificação dos forçantes dos escoamentos são freqüentes causas de diferenças entre valores medidos e valores computados.
Transporte de escalares e parâmetros de qualidade de água - Validação Nível 3:
Garantir que as intensidades das fontes contaminantes, parâmetros das reações cinéticas e similares estejam corretamente implementados no sistema de modelos, e sejam condizentes com os existentes na época de medição. Erros na especificação de intensidades de fontes e parâmetros de reações cinéticas , bem como caracterização sedimentológica, são freqüentes causas de diferenças entre valores medidos e valores computados.
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AECO
COPPE/UFRJ
Estratégia de discretização: elementos finitos em (x, y ) e superfícies s e diferenças finitas em z e t
	
A Figura mostra plilha de 21 malhas com 24253 colunas de água em 4599×21 elementos biquadráticos. Em cada coluna pode-se definir N níveis. Usualmente N fica entre 20 e 30. 
Para N = 21  ~510.000 pontos de discretização >1.500.000 incógnitas por passo de tempo.
Elementos Totais:	4559×21
 Quadrangulares	4559×21
 Triangulares	0
Nós Totais:	24253×21
 Internos	12197×21
 Contorno Terra	12056×21
 Contorno Aberto	0
 Terra/Aberto	0
Banda Máxima:	174
Domínio Discretizado:
Área =1254146118.1 m²
Volume = 7194752229.8 m³
Prof.Med. = 5.7 m
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Dados básicos de entrada
Domínio de Modelagem: contornos, batimetria, tipo de material de fundo
As figuras mostram o domínio de modelamento considerado, com o tipo de fundo e a batimetria vistos pelo modelo
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Dados básicos de entrada: 
Forçantes e condições de contorno – modelo hidrodinâmico
Contorno água ( G1 )
Contorno terra ( G2 )
Vazão fluvial
Vazão fluvial
Domínio do modelo ( W )
Modelo admite:
Vento variável no espaço e no tempo. 
Rugosidade equivalente de fundo que depende localmente do material de fundo. Atrito no fundo variável no tempo e no espaço.
Fronteiras laterais alagáveis ou estanques.
Áreas que secam e molham.
Vazões fluviais variáveis.
Prescrição de curvas de maré discretas (registros) ou cálculo de maré sintética via prescrição de constantes harmônicas (até 50).
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Dados básicos para modelagem
Ventos variáveis no tempo e no espaço são gerados pelo SisBaHiA de dados medidos
Baía da Ilha Grande – RJ
Malha com cerca de 210.000 nós 
em 21 níveis s; ~10.000/nivel
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Exemplos de resultados
Perfis de velocidade medidos e computados
Animações de campo de correntes podem 
ser feitas automaticamente pelo SisBaHiA 
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Calibração de Níveis de Maré
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Calibração: Correntes de maré – 3D
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Exemplos de calibração de turbulência
As marcas azuis indicam posições medidas do fim da zona de recirculação e de centros de vórtices
Visualização do escoamento através do Modelo Lagrangeano – 12 fontes a montante
Visualização do escoamento através do Modelo Euleriano – 3 fontes a montante
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Exemplos – aninhamento de modelos em separado
Mariela Gabioux - 2001
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Exemplos de resultados:
Rios Guamá e Guajará
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Exemplos de resultados:
Rios Guamá e Guajará
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Exemplos
Aninhamento integrado
por refinamento.
Pluma Térmica – Angra 3
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Exemplo de Previsão de Efeitos de 
Intervenções de Engenharia
Hidrodinâmica e Plumas Térmicas – Usinas de Angra dos Reis
Pluma ejetada de 80 m³/s 
 Distribuição de temperaturas da pluma ejetada
de 80 m³/s.
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Exemplos – Rio Paraíba do Sul
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Exemplos – Rio Paraíba do Sul
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Exemplos – Rio Paraíba do Sul
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Exemplos de Previsão de Efeitos de Intervenções de Engenharia
Dragagem para enterramento de duto na Baía de Guanabara – RJ
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Exemplo de Previsão de Efeitos de 
Intervenções de Engenharia
Plumas térmicas da UTE-CSA – Baía de Sepetiba
Região de interesse específico
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Exemplo de Previsão de Efeitos de 
Intervenções de Engenharia
Plumas térmicas da UTE-CSA – Baía de Sepetiba
Calibração:
Níveis de maré no Canal de São Francisco na foz na Baía de Sepetiba e a cerca de 10 km a montante.
Correntes residuais eulerianas ao longo de um dia de maré de sizígia.
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Exemplo de Previsão de Efeitos de 
Intervenções de Engenharia
Plumas térmicas da UTE-CSA – Baía de Sepetiba
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Exemplo de Previsão de Efeitos de 
Intervenções de Engenharia
Plumas térmicas da UTE-CSA – Baía de Sepetiba
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Exemplo de Previsão de Efeitos de 
Intervenções de Engenharia
Plumas térmicas da UTE-CSA – Baía de Sepetiba
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Exemplo de Previsão de Efeitos de 
Intervenções de Engenharia
Bota Fora de Dragado em Área Costa Fora da Baía de Sepetiba
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Exemplo de Previsão de Efeitos de 
Intervenções de Engenharia
Bota Fora de Dragado em Área Costa Fora da Baía de Sepetiba
Isolinhas de altura de sedimentação decorrente de operações de bota-fora durante um mês típico de inverno, ao lado, e verão, abaixo. 
A linha preta destaca a isolinha de 1.0 cm, o padrão azul claro marca o limite de 0.1 cm, o padrão granulado estende-se até o limite de um milésimo de milímetro. 
Durante o inverno, a maior freqüência de frentes frias que geram correntes para leste faz com que haja maior sedimentação para leste. No verão ocorre o oposto.
O transporte e a deposiçao de sedimentos foram condicionados por tensões no fundo devido a ondas e correntes.
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Exemplo de Previsão de Efeitos de 
Intervenções de Engenharia
Bota Fora de Dragado em Área Costa Fora da Baía de Sepetiba
Isolinhas de ocorrência de manchas de sedimentos com concentração média na coluna de água superior a 20 mg/L, decorrente de operações de bota-fora durante um mês típico de inverno, ao lado e de verão, abaixo
O transporte e a deposição de sedimentos foram condicionados por tensões no fundo devido a ondas e correntes.
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Estudo de caso: 
Reservatório da UHE Jirau – Ilha do Padre
Modelo Digital do Terreno
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Estudo de caso: 
Reservatório da UHE Jirau – Ilha do Padre
Modelo Digital do Terreno: Batimetria vista pelo modelo
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Estudo de caso: 
Reservatório da UHE Jirau – Ilha do Padre
Modelagem Hidrodinâmica - Verão
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Estudo de caso: 
Reservatório da UHE Jirau – Ilha do Padre
Modelagem Hidrodinâmica - Verão
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Estudo de caso: 
Reservatório da UHE Jirau – Ilha do Padre
Modelo Hidrodinâmico - Verão
Persistência de estagnação indicada por mapa de isolinhas de ocorrência de velocidades de correntes médias na coluna de água inferiores a 0.05 m/s. Em tais áreas efeitos do vento são importantes.
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Estudo de caso: Fitomassa Afogada
Reservatório da UHE Jirau - Ilha do Padre
Distribuição da Fitomassa
Distribuição da vegetação alagada na área do reservatório do AHE-Jirau. Os percentuais indicados são relativos às áreas de cobertura da vegetação remanescente e não às massas de material biodegradável. 
A tabela abaixo mostra quantitativos de carbono biodegradável para cada tipo de vegetação.
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COPPE/UFRJ
Modelos de Qualidade de Água do SisBaHiA
Símbolo
Parâmetro
Unidade
S
Salinidade
ups
T
Temperatura
°C
C1
Amônia
mgNA/ℓ
C2
Nitrato
mgNI/ℓ
C3
Fósforo Inorgânico
mgP/ℓ
C4
Zooplâncton
mgC/ℓ
C5
Demanda Bioquímica de Oxigênio
mgO/ℓ
C6
Oxigênio Dissolvido
mgO/ℓ
C7
Nitrogênio Orgânico
mgNO/ℓ
C8
Fósforo Orgânico
mgPO/ℓ
C9
Clorofila
µgChla/ℓ
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AECO
COPPE/UFRJ
Modelos de Qualidade de Água do SisBaHiA
Para o caso do afogamento de vegetação focou-se no ciclo do oxigênio. Neste caso, os modelos do SisBaHiA consideram as seguintes incógnitas e processos cinéticos:
OD – Oxigênio Dissolvido: reaeração, decomposição, nitrificação, fotossíntese, respiração de fitoplâncton, respiração de zooplâncton, demanda de oxigênio no sedimento. 
DBO – Demanda Bioquímica de Oxigênio: decomposição, sedimentação, desnitrificação, fonte através de detritos da herbivoria, da mortalidade não-predatória de fitoplâncton e da mortalidade não-predatória de zooplâncton.
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COPPE/UFRJ
Estudo de caso: Fitomassa Afogada
Reservatório da UHE Jirau - Ilha do Padre
Os percentuais indicados são relativos às áreas de cobertura da vegetação remanescente.
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Estudo de caso: Fitomassa Afogada
Reservatório da UHE Jirau - Ilha do Padre
Os percentuais indicados são relativos às áreas de cobertura da vegetação remanescente.
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COPPE/UFRJ
Estudo de caso: Fitomassa Afogada
Reservatório da UHE Jirau - Ilha do Padre
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COPPE/UFRJ
Estudo de caso: Fitomassa Afogada
Reservatório da UHE Jirau - Ilha do Padre
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COPPE/UFRJ
Estudo de caso: Fitomassa Afogada
Reservatório da UHE Jirau - Ilha do Padre
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Estudo de caso: Fitomassa Afogada
Reservatório da UHE Jirau - Ilha do Padre
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COPPE/UFRJ
Estudo de caso: Fitomassa Afogada
Reservatório da UHE Jirau - Ilha do Padre
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COPPE/UFRJ
Estudo de caso: Fitomassa Afogada
Reservatório da UHE Jirau - Ilha do Padre
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COPPE/UFRJ
Estudo de caso: Fitomassa Afogada
Reservatório da UHE Jirau - Ilha do Padre
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Estudo de caso: Fitomassa Afogada
Reservatório da UHE Jirau - Ilha do Padre
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