O ambiente de modelagem computacional quantitativo STELLA

Entre os diversos “softwares” existentes no mercado para transformar diagramas causais em modelos computacionais, tem-se o STELLA, que foi utilizado nesse estudo, na versão 9.0, para “Windows”. A sua escolha se deu pelo fato deste ser frequentemente usado por pesquisadores que trabalham com o enfoque de Dinâmica de Sistemas na modelagem de problemas complexos que integram variáveis diversas. Também, foi o primeiro software desenhado para trabalhar com variáveis físicas, bem como econômicas e sociais. Sabe-se que um modelo de recursos hídricos deve considerar todos estes tipos de variáveis (STELLA, 2001).

O programa STELLA, acrônimo de “Structural Thinking Experimental Learning

Laboratory with Animation”, cuja tradução em português é “Laboratório de

Aprendizagem Experimental com Animação Baseado no Pensamento Sistêmico”, constitui-se em uma ferramenta computacional que possibilita a construção dos modelos mais variados. Transforma modelos mentais em diagramas computadorizados, simulando situações reais de sistemas ecológicos dinâmicos, ao mesmo tempo em que possibilita a compreensão de diversas funções matemáticas e a leitura das saídas gráficas correspondentes (RICHMOND, 1987; FERRACIOLI e CAMILETTI, 1998; DUVOISIN, 2000).

Ou seja, é um laboratório, sobre processos reais, a fim de apoiar a tomada de decisões. Ao executar-se o Ambiente STELLA é apresentada ao usuário a tela ao Nível Construção de Modelos (Figura 36).

FIGURA 36 - Tela do Nível Construção do Modelo no Modo Mapa. Fonte: GONÇALVES e FERRACIOLI (2006).

O Programa STELLA permite a construção e simulação de modelos dinâmicos em nível quantitativo com uma representação gráfica baseada em ícones. Fundamentado na metáfora do tanque e da torneira, o ambiente STELLA possibilita a construção de modelos por meio da conexão dos elementos básicos no formato de ícones: nível, fluxo (taxa), conversor e conectores. Neste nível os ícones do Bloco de Construção do Modelo representam os ícones básicos assim descritos:

NÍVEL - Representa uma variável que pode ser alterada ao longo do tempo por uma variável do tipo taxa. Esta variável reflete o estado de um sistema.

FLUXO (TAXA) - Representa uma variável que promoverá a mudança da variável tipo nível ao longo do tempo. Pode ser unidirecional ou bidirecional.

CONVERSOR - Representa uma constante ou uma função, sendo nos dois casos para converter valores. Eles não acumulam Taxas e, portanto, não possuem “memória” do sistema.

CONECTOR - Serve para transportar a informação de uma variável para a outra. Quando se usa um conector para ligar duas variáveis, está-se impondo uma relação entre elas.

ORELLANA GONZÁLEZ (2006) utilizou o Programa STELLA em recente trabalho que teve por objetivo analisar a sustentabilidade dos recursos hídricos do município de São Miguel do Anta, localizados na microrregião de Viçosa, MG. O seu interesse por essa pesquisa se deu por motivo semelhante àquele que vem ocorrendo nas bacias do rio Paracatu, do rio Preto e do ribeirão Entre Ribeiros. No município onde realizou o estudo dessa autora, a demanda por recursos hídricos vem aumentando nos últimos anos por dois principais motivos: a) crescimento das atividades econômicas; e b) crescimento populacional. O primeiro passo por ela utilizado foi conhecer a localidade para que pudesse ser representada esquematicamente a sua estrutura de funcionamento.

Esta estrutura foi representada por um diagrama causal, que serviu como base para a elaboração do diagrama de estoques e fluxos, por meio do qual se estabeleceu o modelo matemático que permitiu efetivar a simulação numérica. Aplicou-se testes de validação do modelo, que é fundamental para a sua credibilidade e, com os resultados obtidos, permitiu-se constatar que o modelo estava estruturado, tendo se comportado de forma coerente aos dados existentes à realidade, o que o tornou adequado àquela situação.

A Figura 37 apresenta o diagrama elaborado no trabalho de ORELLANA GONZÁLEZ (2006), no Município de São Miguel do Anta, MG.

Ag u a Co n t a m in a ció n Ag r o in d u s t r ia Ag r icu lt u r a Po b la ció n Re cu r s o s PRONAF + - - - - + + + + + R R

FIGURA 37 - Diagrama causal do Modelo da água. Fonte: ORELLANA GONZÁLEZ (2006).

De acordo com essa mesma autora, o modelo desenvolvido em seu estudo com o uso do software STELLA 9.0, tem sido empregado para identificar as soluções mais adequadas aos requerimentos de conservação do solo e dos requerimentos hídricos, relativos ao Desenvolvimento Sustentável, aos aspectos ambientais e às necessidades ecológicas e sócio-econômicas e políticas em diversas regiões. A partir do diagrama causal do modelo (Figura 37), foi permitido desenhar o diagrama de

estoque e fluxo, que de forma mais detalhada, descreveu o funcionamento do sistema (Figura 38).

AG UA ESTO Q UE

O FERTA DEMANDA

SSUBT

SSUP DPO BLAC IO NAL

DAMB DAG

Tie rra Irrig a d a

Po b la c io nAnima l Tie rra Inc re m

Po b AnInc re m

Tinc Anim

~

Tinc Tie rra

C o nsC ultivo s C o nsAnima l Pro mC o nsAnima l Pro mC o nsC ultivo s Po b Urb a na Po b Rura l Inc Po b Rur Inc Po b Urb ~ Ta sC re c ~ Ta sC re c C o nsUrb a no C o nsRura l ~ Tc C Ag ua ~ Tc C Ag ua Año SALIDA C o ntPo b C o ntPe c ua ria DBO Eq uivPo b Pe c IS Año Año DAG IN Pro d Ag Ind Inc Pro d Ag Ind

Tinc Ag Ind

C o nsAg Ind Pro mC o nsAg Ind

DAMB

FIGURA 38 - Diagrama de estoque e fluxo no Município de São Miguel do Anta, MG. Fonte: ORELLANA GONZÁLEZ (2006).

Diversos outros estudos poderiam ser citados para confirmar a opção pelo Programa STELLA, como o realizado por MULINARI et al. (2006) sobre os ecossistemas manguezais. O trabalho desses autores teve por objetivo desenvolver um estudo baseado na aplicação de modelos e da modelagem computacional como estratégia de análise da dinâmica populacional da espécie Ucides cordatus que apresenta grande importância para manguezal.

Como resultado, foi construído o modelo da Dinâmica Populacional do U.

cordatus no Manguezal da Baía de Vitória, ES, o qual a partir de sua simulação

viabilizou a análise do evento em estudo e permitiu a elaboração de propostas para o uso do modelo como ferramenta de análise deste ecossistema por intermédio do desenvolvimento de futuros trabalhos.

Dessa forma, percebe-se que o Programa STELLA possibilita desenhar seu próprio modelo. Nos processos de sua elaboração e na sua construção, podem-se incluir as variáveis que se considere importante para explicar um determinado problema. Nesse caso, incorporam-se parâmetros de tipo climático, tais como temperatura, quantidade de chuva e evapotranspiração. De acordo com cenários desenhados e, ou, suposições, definem-se a alteração sofrida dessas variáveis em função do tempo. Essas alterações são então incorporadas ao modelo e representadas por meio de funções gráficas.

Em outro trabalho, realizado por SILVA e VIANNA (2004), intitulado “Utilização do software STELLA para modelar o ciclo do carbono entre os principais reservatórios do planeta terra”, teve por objetivos discutir e avaliar a importância dos fluxos de

carbono, mostrando o comportamento e concentrações desse gás com o passar dos anos. O modelo, representado na Figura 39, os reservatórios são representados por retângulos. Atmosfera Biota terrestre Ganho Retirada Uso da terra P Ocen Superfície do oceano

Oceano intermediário e profundo

P fundo P Atm

P Superfície

Uso de combustiveis fósseis

FIGURA 39 - Modelo simplificado do ciclo do carbono na Terra. Fonte: SILVA e VIANNA (2004).

Segundo esses mesmos autores, o movimento do dióxido de carbono, de um reservatório para outro, forma um importante fluxo por intermédio de um sistema fechado, o que permite avaliar a quantidade de carbono em cada reservatório no planeta Terra. Basicamente os fluxos representam os vários processos que afetam a quantidade de carbono que é depositada ou removida de um reservatório. Nestes fluxos estão incluídos, dentre outros, as trocas entre a atmosfera e a biota terrestre: atmosfera-superfície do oceano-oceano profundo. As transferências de longo tempo, como as que ocorrem para os sedimentos do fundo dos oceanos não foram incluídas. No modelo foram inseridas as variáveis Uso de Combustíveis Fósseis e Uso da Terra para avaliar a ação antropogênica do homem no ciclo, principalmente nos fluxos para atmosfera.

No trabalho desses mesmos autores, o tempo de simulação adotado foi de 100 anos, a partir do ano de 2000, pois segundo esses mesmos autores, para maiores intervalos os valores fornecidos pelo modelo poderiam não ter significado em função da complexidade que existe no problema modelado. Para esses mesmos autores, o resultado obtido na simulação sugere um cenário que parece refletir, em longo prazo, medidas que de forma incipiente estão sendo adotadas por alguns países visando reduzir a produção de CO2. Assim, o modelo parece ter fornecido, nessa simulação, um cenário real que pode não ser exato, mas é possível de vir a acontecer se houver cooperações das nações, adotando políticas públicas que busquem redimensionar as necessidades humanas. Na Figura 40 apresenta-se o comportamento dos reservatórios ao longo do tempo de simulação.

08:30 dom, 28 de ago de 2005 Reservatórios 2000.00 2025.00 2050.00 2075.00 2100.00 Years 1: 1: 1: 2: 2: 2: 3: 3: 3: 4: 4: 4: 700,00 800,00 900,00 2150,00 2300,00 2450,00 37900,00 38000,00 38100,00 1000,00 1100,00 1200,00

1: Atmosfera 2: Biota terrestre 3: Oceano intermediário…4: Superfície do oceano

1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4

FIGURA 40 - Conteúdo de carbono nos reservatórios ao longo do tempo de simulação. Fonte: SILVA e VIANNA (2004).

Ainda na área de bacias hidrográficas, cabe citar o recente trabalho realizado por SÁNCHEZ-ROMÁN et al. (2008). Teve por objetivo verificar a sustentabilidade dos recursos hídricos das bacias hidrográficas dos rios Piracicaba, Jundiaí e Capivari (BH- PCJ), por um período de 50 anos. Utilizou-se um modelo de simulação dos recursos hídricos dessas bacias desenvolvido em Dinâmica de Sistemas, para ser uma ferramenta para auxiliar aos formuladores de políticas e a os tomadores de decisões. A partir dos levantamentos iniciais, foi possível elaborar o diagrama causal das bacias, como se pode observar na Figura 41.

FIGURA 41 - Diagrama causal do sistema de recursos hídricos das bacias hidrográficas dos rios Piracicaba, Jundiaí e Capivari. Fonte: SÁNCHEZ-ROMÁN et al., 2008.

De acordo com esses mesmos autores, depois de identificadas as variáveis do sistema, o setor de oferta de água ficou assim identificado, de acordo com a Figura 42.

FIGURA 42 - Setor de oferta de água representando o sistema de recursos hídricos das bacias hidrográficas dos rios Piracicaba, Jundiaí e Capivari. Fonte: SÁNCHEZ-ROMÁN et al. (2008).

Nesse trabalho, o modelo estimou as ofertas e demandas de água, e a geração de águas residuárias de diversos consumidores existentes nas BH-PCJ. Nas simulações, com 50 anos de horizonte, mantiveram-se as taxas de consumo e de oferta existentes em 2004, ou consideram-se mudanças no regime de chuvas, no consumo pelas áreas irrigadas ou pela população, na vazão ecológica, ou uma combinação dos cenários anteriores. No cenário sem mudanças nos comportamentos, foi encontrado que as demandas de água aumentarão em 76%, e que 39% do volume de água disponível terá origem no reuso das águas residuárias, sendo que a carga contaminante aumentará em um 91%. Também foi determinado o índice de sustentabilidade para diversos cenários, como pode ser observado na Figura 43.

FIGURA 43 - Índice de sustentabilidade proposto por XU et al. (2002), para as bacias hidrográficas dos rios Piracicaba, Jundiaí e Capivari. Fonte: SÁNCHEZ- ROMÁN et al. (2008).

Observa-se na Figura 43, que o Índice de Sustentabilidade foi de 0,44 até 0,20 no período de simulação. Todos os cenários mostram uma tendência a uma futura crise da água. O modelo utilizado se mostrou uma boa ferramenta de apoio para a tomada de decisões.

Dessa forma, dentro da filosofia do pensamento sistêmico, tem-se construído modelos usando os círculos de causalidade. Estes constituem a ferramenta principal do pensamento sistêmico, e o conjunto deles pode ser chamado de “diagrama de influências”. Com base nessa ótica, infere-se que o mundo opera em volteios de retroalimentação de reforço (“R”) e balanceamento (“B”). O movimento em conjunto desses volteios é considerado o comportamento geral do fenômeno ou evento sob investigação (GRIFFTH e TOY, 2005).

O pressuposto fundamental da Dinâmica de Sistemas é o de que o comportamento simulado por um modelo emerge da estrutura causal que lhe está subjacente. Na Figura 44 podem-se observar os diversos tipos de modelo possíveis de se estudar com a Dinâmica de Sistemas.

FIGURA 44 - Tipos de modelos possíveis de se estudar com a Dinâmica de Sistemas. Fonte: FORRESTER (1990).

Assim, se for construída uma estrutura útil (capaz de reproduzir os padrões de comportamento conhecidos do problema em análise), essa mesma estrutura pode ser posteriormente utilizada para testar e avaliar, no ambiente virtual do programa de modelação, as soluções alternativas de resolução do problema no sistema real.

Considerando os desafios atuais da pesquisa na concepção e implementação de ferramentas e processos mais eficazes para cada contexto de decisão, o presente estudo visa especificar o papel da modelagem dinâmica como plataforma de participação aplicada à gestão da água. Resultados de diversos estudos revelaram que a modelagem promove a aprendizagem sobre os problemas e aumenta a capacidade dos atores sociais em integrar conhecimentos e lidar com a complexidade subjacente à dinâmica das interações entre os sistemas social, econômico e ecológico. O Programa STELLA é uma ferramenta possível de ser utilizada para incorporar tais variáveis.

3.7. CONSIDERAÇÕES

No Brasil, são enormes as potencialidades produtivas da agricultura e da pecuária. Caso tais atividades fossem exploradas racionalmente, nos permitiria gerar as riquezas que tanto se necessitam para reduzir a pobreza rural e solucionar vários dos problemas nacionais. A agropecuária brasileira tem vocação para ser a mais poderosa frente do desenvolvimento nacional. Têm-se vastas extensões de terras de boa qualidade, abundância de água, clima favorável que nos permite obter várias colheitas ao ano, produzir na entressafra dos países ricos e criar gado em regime de pasto, um enorme mercado consumidor e uma abundante mão-de-obra necessitada de progredir com o fruto do seu trabalho.

Contudo, considerando as características do setor rural brasileiro, sem uma reorientação do ensino e da pesquisa em ciências agrárias, será impossível obter o conhecimento exigido para o desenvolvimento de sistemas sustentáveis nos diferentes espaços ecológicos do nosso país. Quaisquer programas de ocupação ou de uso do solo com seus respectivos sistemas de manejo, necessariamente deverão incluir o homem como componente do ecossistema, evidenciando que o seu uso inadequado resultará em perdas econômicas. Deverão integrar o gerenciamento do solo e das atividades agropecuárias e florestais com o gerenciamento dos recursos hídricos.

Neste contexto, inserem-se as bacias hidrográficas do rio Preto e ribeirão Entre Ribeiros, afluentes do rio Paracatu, local onde foi realizado o presente estudo. Pode-se perceber, por intermédio desta revisão, que modificações no regime de vazões de uma bacia hidrográfica podem ser decorrentes de mudanças do tipo de uso do solo, da variabilidade climática, de construção de barragens ou de aumento da irrigação, dentre outros fatores. A troca de uma cobertura por outra altera o comportamento hidrológico na bacia hidrográfica, tendendo a alterar o comportamento das vazões. Esse é um sério problema dessas bacias, que mesmo com o avanço das tecnologias e do maior rigor da legislação e fiscalização ambiental, não têm sido resolvidos.

Sabe-se que a política ambiental, após a elaboração da Constituição de 1988, garantiu direito a todo brasileiro ao meio ambiente equilibrado, posto ser um bem de uso comum e fundamental para que se tenha qualidade de vida e desenvolvimento sustentável. Também, a Constituição a) estimula a ação popular ambiental, enfatizando o papel do cidadão; b) cria dispositivo concedendo autonomia a estados e municípios; c) inclui como função de promover a proteção do meio ambiente entre as incumbências institucionais do Ministério Público; d) impõe a defesa do meio ambiente como um dos princípios gerais da ordem econômica; e) condiciona o direito de propriedade à preservação ambiental; e f) evidencia a necessidade de recuperação de áreas degradadas, entre outros.

Após a promulgação da Constituição, houve mudanças substanciais nas propostas originais do governo, entenda-se como planejamento, que propiciaram inovações legais e a criação de diversos programas que, na verdade, garantem o desenvolvimento sustentável. Com a Lei 8.028/90, foi criada a Secretaria do Meio Ambiente (SEMAM), com a finalidade de planejar, coordenar, supervisionar e controlar as atividades relativas à Política Nacional de Meio Ambiente e à preservação, conservação e uso racional dos recursos naturais renováveis.

Contudo, as grandes empresas rurais, mesmo sujeitas a proibições e a multas impostas pela atual legislação, têm-se mostrado insuficientes para a resolução dos problemas ambientais, por três motivos básicos: a) pela grande extensão territorial brasileira, que dificulta a fiscalização e o monitoramento; b) pelo número reduzido do seu quadro funcional, que não garante a agilidade necessária para a execução dessa função; e c) pela escassez de recursos financeiros associada a baixa capacitação técnica e operacional dos órgãos ambientais; além do comprometimento próprio, em algumas situações.

Atualmente, a exploração agropecuária, florestal e industrial racional, é o desafio do século XXI. Para tanto, é necessário que sejam revistos os conceitos em termos de manejo e de utilização de práticas conservacionistas. Deve-se adotar uma educação ambiental crítica voltada para a necessária transformação da sociedade, para que esse cenário possa ser revertido na direção da sustentabilidade, baseada em novas condições que reordenarão os novos modelos de produção.

Atualmente, os principais problemas resultantes do uso dos recursos hídricos estão relacionados: a) ao assoreamento; b) à eutrofização; c) ao aumento da toxicidade das águas superficiais e subterrâneas; e d) às alterações no ciclo hidrológico e na disponibilidade de água, agravando os problemas dos pontos de vista qualitativos e quantitativos.

Assim, esse trabalho se propôs a desenvolver um modelo de oferta e demanda do uso da água baseado em princípios de dinâmica de sistemas, com o auxílio do

software STELLA. Por intermédio de uma análise sistêmica dos recursos foram

determinadas as principais variáveis e suas inter-relações, que poderá ser empregado para identificar as soluções mais adequadas aos requerimentos de conservação do solo e da água. Será uma ferramenta de auxílio à definição de políticas públicas de planejamento e predição para estimar futuras demandas e ofertas de Recursos Hídricos. Dessa forma, os usuários poderão entender como que os diversos cenários, atuais e futuros, afetarão o desempenho dos ecossistemas aquáticos e terrestres.

A presente revisão teve por objetivo reunir informações necessárias ao desenvolvimento da tese proposta. Serão agora apresentados os dados relativos à área de estudo.