Post on 17-Apr-2015
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
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Modelos MatemáticosRecursos Hídricos e Meio Ambiente
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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)