Técnicas para Avaliação de Sistemas de Recursos Hídricos

A adoção de uma abordagem sistêmica dos recursos hídricos vem propiciando uma vasta gama de avaliações nesse setor da engenharia. A análise dos sistemas de recursos hídricos pode ter como objetivos (Lanna, 1997a): simular o comportamento da realidade que os sistemas representem (simulação) e otimizar os processos decisórios que atuam sobre essa realidade (otimização).

a) Simulação

Simulação é uma técnica de modelagem usada para representar de forma mais precisa o comportamento espacial e/ou temporal de um sistema, em um computador, representando suas principais características através de descrições matemáticas ou algébricas (Maass et al., 1962, apud Lima e Lanna, não publicado).

Como resultado, esses modelos apresentam o valor de uma função de retorno com uma configuração específica do sistema submetida a uma regra de operação, ou seja, avaliam um número finito de alternativas (op. cit.). Isso, algumas vezes, é um entrave a sua aplicação, pois necessita do estabelecimento de um grande número de conjuntos de configurações e políticas de operação que devem ser simulados para que se obtenha discernimento para uma tomada de decisão.

De acordo com os referidos autores, pela sua flexibilidade, simplicidade e versatilidade, os modelos de simulação têm sido os mais utilizados na avaliação de alternativas de sistemas de recursos hídricos. São poderosas ferramentas de apoio às decisões no âmbito do planejamento e operação dos sistemas, auxiliando no entendimento do comportamento de uma bacia hidrográfica e na previsão de condições diferentes das observadas.

Segundo Andreazza et al. (1994), a modelagem da área em estudo como um sistema, estabelecendo diferentes cenários para avaliação dos resultados, é uma forma eficiente de simular o comportamento esperado do ambiente diante das situações naturais e/ou antrópicas.

A desvantagem dessa técnica é a necessidade do exaustivo processo de tentativa e erro para definição da solução, uma vez que não permite aos usuários a restrição do espaço decisório (Azevedo et al., 1997). Além disso, a heterogeneidade física e dos processos envolvidos na bacia também se constitui num fator limitante, bem como a quantidade e a qualidade dos dados hidrológicos e a simplificação do comportamento espacial de variáveis e fenômenos (Tucci, 1998). Entretanto, esses últimos fatores limitantes citados também se fazem presentes na técnica de otimização.

Modelos de Simulação

A aplicação de um modelo de simulação pode ser efetuada de duas formas (Azevedo et al., 1997): utilizando um modelo geral existente para sistemas similares; e desenvolvendo ou adaptando um modelo específico para o sistema. Na tabela 2.2, são apresentadas algumas vantagens e desvantagens das referidas alternativas.

TABELA 2.2. Vantagens e desvantagens das alternativas de formulação do modelo de simulação.

Alternativa Vantagens Desvantagens

Modelo geral Flexibilidade na alteração de

políticas de operação ou configurações dos componentes do sistema;

Existência de suportes para interface de entrada de dados e análise dos resultados;

Possibilidade de introdução de modificações no modelo, quando possuir uma estrutura aberta para modificações pelo usuário.

Necessidade de grandes recursos computacionais;

Em alguns casos, necessidade de muitos elementos fictícios no sistema para o ajuste à sua estrutura;

Exigência de tempo para o treinamento de uma equipe capaz de explorar seus recursos e contornar suas limitações.

Modelo específico Maior eficiência que os

modelos gerais;

Exigência de um menor esforço de adaptação do sistema real ao sistema simulado;

Maior rapidez e economia.

Menor abrangência que os modelos gerais;

Necessidade de tempo para o desenvolvimento do aplicativo, que nem sempre é disponível no estudo.

FONTE: Adaptado de Azevedo et al. (1997).

O HEC3, o HEC5, o WRAP, o SAGBAH, o DESERT e o AQUATOOLS são alguns exemplos de modelos generalizados de simulação para sistemas de recursos hídricos mais complexos (Lanna, 1997a).

Os modelos HEC3 e HEC5 são modelos gerais desenvolvidos pelo Hydrologic Engineering Center que diferem apenas pelo modelo HEC5 permitir, além da simulação de sistemas de reservatórios para abastecimento, a simulação para controle de enchentes.

O WRAP (Water Rights Analysis Package) é um modelo desenvolvido no Texas para simulação mensal de bacias ou regiões de múltiplas bacias, considerando os direitos de uso da água (Wurbs and Dunn, 1996).

O Sistema de Apoio ao Gerenciamento de Bacia Hidrográfica – SAGBAH, desenvolvido no Instituto de Pesquisas Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, é composto por um conjunto de programas, desenvolvidos para a plataforma DOS, em linguagem FORTRAN, e incorporando modelos matemáticos com diversas finalidades (Viegas Filho, 2000).

Atualmente o SAGBAH se encontra em processo de adaptação para o aproveitamento das vantagens oferecidas pelo crescente desenvolvimento dos computadores pessoais, pela Modelagem Orientada a Objetos e pelo ambiente operacional Windows®. Considerando esses avanços atuais, foram desenvolvidos os seguintes módulos: o CHUVAZ 2000, o MODHAC 2000, o CASCATA 2000 e o PROPAGAR 2000 (op cit.). Entretanto, o MODESTO, o REGHIDRO, o OTIMIZAR, o BALHIDRO e o SIMQUAL deverão ser objeto de desenvolvimento subseqüente (op. cit.).

Devido às vantagens que oferece e à relativa familiaridade da autora com o seu uso, é usado neste trabalho o modelo PROPAGAR MOO, desenvolvido segundo a Modelagem Orientada a Objetos. A concepção básica e a dinâmica do modelo são mostradas mais adiante (item 2.11).

Incerteza no Futuro

Embora o processo decisório necessariamente se reporte às conseqüências futuras de uma decisão, o conhecimento que se tem é apenas do passado (Lanna, 1997a). Aspectos hidrológicos, ambientais, econômicos, políticos e sociais, necessários à determinação das disponibilidades hídricas, das demandas e da decisão a ser tomada, são variáveis no tempo e associados a incertezas de difícil quantificação.

Diante de tamanha complexidade, é comum em análise sistêmica considerar apenas a incerteza hidrológica, sendo as demais tratadas na formulação de diversos cenários para a simulação, aos quais incorporam-se projeções de demandas e decisões vinculadas aos fenômenos sociais, econômicos e ambientais.

A incerteza hidrológica pode ser abordada no processo decisório, de acordo com a maneira que sua aleatoriedade é inserida, de duas formas (Lanna, 1997a): explicitamente estocástica e implicitamente estocástica. Na primeira abordagem, modelos probabilísticos que descrevem a aleatoriedade no futuro são inseridos na formulação do processo decisório. Na abordagem implicitamente estocástica, supõe-se que os eventos hidrológicos futuros são conhecidos, sendo possíveis duas alternativas de uso dos dados hidrológicos: a série hidrológica disponível; e as séries sintéticas geradas da série disponível, através de modelos de simulação estocásticos.

A técnica de otimização é abordada no item seguinte apenas para efeito de complementação, uma vez que neste estudo é utilizado o modelo de simulação PROPAGAR MOO.

b) Otimização

Para a obtenção do melhor processo decisório, associado a uma função–objetivo, são necessárias técnicas de otimização. Dentre essas técnicas, pode-se citar a otimização por enumeração, a programação dinâmica, a programação linear e a programação não linear (Lanna, 1999).

As técnicas de otimização pesquisam uma política de operação ótima entre todas as alternativas possíveis, ou seja, uma política que minimize (ou maximize) a função de retorno para o sistema em análise, satisfazendo todas as restrições impostas (Lima e Lanna, não publicado).

Essas técnicas são empregadas quando a bacia em estudo é complexa, com um grande número de centros de demanda e reservatórios em cascata, sendo necessária a adoção de políticas operacionais as mais eficientes possíveis nesses reservatórios.