Nome do Projeto
Simulação, controle de inundações e dispersão de poluentes em sistemas hídricos
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
17/08/2020 - 16/08/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
Tempestades, tsunamis, rompimento de barragens ou diques podem causar grandes inundações provocando significativas perdas econômicas e ambientais e pondo em risco vidas humanas. Então, uma série de estudos torna-se necessária para buscar algumas maneiras de minimizar os danos causados por situações extremas e evitar desastres ecológicos gerando perdas significativas. A simulação através de um modelo numérico é essencial para fornecer a característica hidrodinâmica de uma inundação, a fim de realizar uma boa avaliação do risco. Informações como a área atingida, profundidade da água e tempo de chegada da massa de água a uma região pode ser obtida com um modelo numérico. Se esta informação for conhecida com anterioridade, um mapeamento da inundação pode ser realizado, o qual permite tomar decisões sobre planos de uso da terra, projetos contra efeitos de inundação e evacuação de pessoas que vivem em regiões afetadas para diminuir os danos. Um modelo matemático hidrodinâmico, tal como o de águas rasas, é hoje uma ferramenta comum e importante para simular inundações e obter todas as informações relevantes necessárias. O controle da inundação numa zona específica é possível se a curva taxa de fluxo de saída vs. tempo é otimizada para minimizar uma função objetivo, que é uma função do nível das águas a ser calculado de tal forma que não supere o valor de um nível de água fixado como objetivo numa determinada região. A necessidade de otimizar a curva taxa de fluxo vs tempo para controlar o nível de águas implica na existência ou construção de reservatórios, aquedutos, barreiras móveis e comportas. O modelo hidrodinâmico (que podem ser as equações de águas rasas), representa as restrições do problema e deve possuir a potencialidade de que seu domínio seja variável no tempo em função das regiões que se tornam “secas” e “molhadas” com o tempo. Outro problema de grande impacto social, humano e econômico é o da poluição das águas em lagos, rios estuários, etc. Em muitas cidades, o crescimento da população tem provocado danos devastadores na qualidade das águas e no ecossistema como consequência de despejos domiciliários e industriais. Para evitar medidas de depuração que impliquem em problemas de custos e duração, resulta conveniente realizar previsões que sejam pouco dispendiosas e num curto espaço de tempo. As previsões que permitam projetar alternativas de solução podem ser realizadas através de modelos matemáticos. Neste caso, o modelo hidrodinâmico (como, por exemplo, o de águas rasas) deve ser acompanhado de uma equação acoplada de convecção-difusão-reação com fontes ou sumidouros por cada componente que origina a poluição. Tratando-se de um problema de controle da concentração de poluentes, a função objetivo a ser minimizada é uma função da concentração de poluentes a ser calculada de tal forma que não supere um valor objetivo da concentração. Para isto tem que ser otimizada a taxa de fluxo numa determinada porção do contorno. As equações do modelo hidrodinâmico e a de dispersão de poluentes constituem as restrições do problema de otimização.

Objetivo Geral

Estudar e aplicar um modelo matemático de escoamentos em águas pouco profundas e a contaminação ambiental em um sistema hídrico localizado na cidade de Pelotas, no Rio Grande do Sul, Brasil, visando contribuir com as previsões na ocorrência de desastres ambientais, a partir da resolução numérica das equações diferenciais parciais de águas rasas e de advecção-difusão-reação.
Dentre as principais metas a serem alcançadas, tem-se
 Formular as equações governantes de águas rasas e de advecção-difusão-reação, usando o método das linhas características na discretização temporal e o método de elementos finitos na discretização espacial;
 Obter as malhas computacionais referentes aos corpos hídricos da região, que serão analisados;
 Implementar as equações em linguagem computacional, validando-as em diferentes aplicações;
 Aplicar o modelo matemático para estudar inundações e contaminação ambiental através de estudos de caso.

Justificativa

Uma série de problemas como tempestades, tsunamis, rompimento de barragens ou diques podem causar grandes inundações provocando significativas perdas econômicas e ambientais e pondo em risco vidas humanas. Então, estudos tornam-se necessários para buscar algumas maneiras de minimizar os danos causados por situações extremas e evitar desastres ecológicos gerando perdas significativas. A simulação através de um modelo numérico é essencial para fornecer a característica hidrodinâmica de uma inundação, a fim de realizar uma boa avaliação do risco. Informações como a área atingida, profundidade da água e tempo de chegada da massa de água a uma região pode ser obtida com um modelo numérico. Se esta informação for conhecida com anterioridade, um mapeamento da inundação pode ser realizado, o qual permite tomar decisões sobre planos de uso da terra, projetos contra efeitos de inundação e evacuação de pessoas que vivem em regiões afetadas para diminuir os danos.
evitando assim, medidas de depuração que impliquem em problemas de custos e duração, resultando convenientemente realizar previsões que sejam pouco dispendiosas e num curto espaço de tempo.

Metodologia

Sob o ponto de vista matemático, a modelagem matemática de fenômenos hidrodinâmicos e de contaminação ambiental propicia importantes contribuições no estudo de desastres ambientais, realizando aproximações da ocorrência desses eventos. Consequentemente, a simulação numérica de um modelo promove a compreensão do fenômeno, trazendo contribuições nos estudos teóricos e experimentais, com custos bastante reduzidos (LINN, 2017).
Na representação do movimento das águas tem-se a disposição os modelos hidrodinâmicos, como é o caso das equações de águas rasas. O modelo é obtido por meio de simplificações nas equações de conservação da quantidade de movimento e da conservação de massa (continuidade), que caracteriza um domínio cujas dimensões horizontais são muito maiores que a profundidade (ZIENKIEWICZ et al., 2005). Desse modo, as equações governantes possibilitam a simulação de escoamentos em águas pouco profundas, tais como rios, lagos e estuários. No entanto, o modelo de águas rasas representa apenas o comportamento do fluido, e em muitos casos é necessário considerar ao mesmo tempo modelos matemáticos para analisar o transporte de massa relativo a materiais contaminantes (TIRABASSI, 2010). Assim, torna-se conveniente adicionar recursos aos modelos que permitam adotar medidas para o controle da altura das águas e/ou da concentração de poluentes, evitando as consequências negativas que enchentes ou uma alta concentração de poluentes podem provocar numa determinada região.
Para quantificar a concentração de poluentes, podem-se acoplar às equações governantes de águas rasas modelos matemáticos de transporte de massa (equação de advecção-difusão-reação). Assim, consegue-se evitar prejuízos econômicos e ambientais que provém da poluição das águas, admitindo-se que são conhecidas a localização e a descarga das fontes de contaminação.
Um modelo de águas rasas foi desenvolvido no PPGEC/UFRGS por Grave (2016). Neste modelo, onde não foi considerado o efeito de Coriolis (para grandes corpos de água) nem o efeito do vento sobre o sistema, adicionaram-se ferramentas para o controle da altura da água numa determinada região através da regulação das vazões de entrada ou de saída (que pode ser feita com o auxílio de comportas, aquedutos, reservatórios, entre outras soluções).
Neste trabalho propõe-se a aplicação de um modelo de simulação para estudar prováveis cenários de contaminação das águas e controle de inundações num sistema hídrico constituído pela Praia do Laranjal e pela Barragem de Santa Bárbara, na cidade de Pelotas, localizada no Rio Grande do Sul, Brasil. A solução numérica das equações de águas rasas e da equação de advecção-difusão-reação é feita pela aplicação do esquema particionado das direções ou linhas características (em inglês: Characteristic-Based Split Method - CBS), em conjunto com o método dos elementos finitos (em inglês: Finite Element Method – FEM), para a discretização temporal e espacial, respectivamente, em linguagem FORTRAN.
A teoria do controle ótimo será utilizada na previsão de inundações, controlando a altura d’água a fim de manter o nível considerado adequado (GRAVE, 2017). No caso da contaminação ambiental, o controle será utilizado para estabelecer restrições à concentração de poluentes em regiões que devem ser protegidas.

Indicadores, Metas e Resultados

Realizar a implementação de um código computacional para a simulação de problemas hídricos utilizando as equações de águas rasas, para se determinar uma curva ideal de vazão, que dentro do sistema, forneça os melhores resultados ao se buscar alcançar um objetivo pré-determinado por uma função performance.
Através da metodologia utilizada, representar situações de inundação e controle de poluição em corpos hídricos existentes tanto na cidade, como na região;
A partir do método de controle ótimo, aplicado as equações de águas rasas, seria possível propor uma solução mitigadora contra enchentes na região. Da mesma forma, através do controle de vazão, poderia se buscar uma curva de concentração de poluentes despejados por determinado tempo em um corpo hídrico, reduzindo de forma eficiente problemas gerados nesse processo.
Sob o ponto de vista prático, pretende-se com esse projeto:
 Em uma das análises, simular as consequências de falhas em barragens. Assim, trabalhando conjuntamente com os órgãos ambientais da região, iremos conhecer as dimensões da barragem, o local da provável falha (já que não faremos uma análise estrutural) e a região a ser afetada (uma vista panorâmica da região, topografia do terreno e construções).
 Outra análise a ser abordada na pesquisa é a dispersão de poluentes nos sistemas hídricos. Assim, iremos identificar onde localizam-se as fontes poluidoras e o valor de suas descargas, assim propor soluções para a sua mitigação. Com os dados de campo de concentrações, e em que circunstâncias foram tomadas essas medidas (situação do sistema hídrico atual, segundo agências reguladoras), validar o modelo que será desenvolvido. A obtenção de dados do coeficiente de difusão e da taxa de decaimento da poluição devido a reações químicas, já obtidos através da empresa de saneamento do município, será utilizada para comparação com os dados numéricos desenvolvidos com esse projeto.
O modelo a ser desenvolvido neste projeto será utilizado como ferramenta de pesquisa e de ensino. Na componente de pesquisa, o modelo poderá ser executado em diversas situações reais, objetivando a prevenção e a solução de problemas nessa área. Na componente de ensino o modelo poderá ser usado como ferramenta em cursos de Poluição Ambiental para demonstração, em aula, dos princípios fundamentais envolvidos no transporte e difusão de poluentes.
Finalmente, mas não menos importante, é a produção científica resultante. Propõe-se, como produção científica, o desenvolvimento de artigos científicos internacionais e a apresentação de trabalhos em conferências da área.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
ANDRÉ RICKES
ARMANDO MIGUEL AWRUCH12
DANIELA BUSKE10
GUILHERME JAHNECKE WEYMAR2
JOSIANE KONRADT
LUCAS DA COSTA BERNA
RAFAEL ZANOVELO PERIN
REGIS SPEROTTO DE QUADROS12
SILVANA BARBOSA COSTA GARCIA
TAMIRES FONSECA DE ALMEIDA
ÍGOR DA CUNHA FURTADO

Fontes Financiadoras

Sigla / NomeValorAdministrador
CAPES / Coordenação de Aperfeiçoamento de Nível SuperiorR$ 2.979,90Coordenador

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