Sistema de Modelagem MOHID

• Eutrofização (nutrientes e oxigênio);

• Transporte de nutrientes e de material em suspensão;

• Padrões de transporte e diluição de descargas potencialmente poluídas;

• Clima “costeiro” (correntes, turbulência, temperatura, salinidade, ondas, nível do ar, vento, temperatura do ar);

• Produzir e atualizar longas séries temporais do clima de meios aquáticos, e variabilidade de ecossistemas (especialmente ao nível dos níveis tróficos mais baixos);

• Demonstrar o estado potencial de climas costeiros, ou regionais, e estado e variabilidade de ecossistema, face a hipotéticos futuros cenários climáticos;

• Quantificar os efeitos de diferentes cenários de gestão nos ambientes costeiros (nomeadamente ao nível produção primária, eutrofização, e transporte de nutrientes).

Mais além, Santos Fernandes (2005) fala que, para produtos e serviços gerados por um sistema operacional, é possível estabelecer uma lista bem mais exaustiva de interesses e comunidades envolvidas.

entre os sistemas existentes deste tipo, diante a sua inovação face a descrição vertical e a sua programação robusta e confiável (SANTOS FERNANDES, 2005).

4.3.1. Descrição do Sistema

O sistema de modelação Mohid permite a adoção de uma filosofia de modelação integrada já referida, não só de processos (físicos e biogeoquímicos), mas também de diferentes escalas (possibilitando a utilização de modelos encaixados) e sistemas (estuários + bacias hidrográficas), graças à adoção de uma filosofia de programação orientada por objetos. Esta filosofia, utilizada na programação do modelo torna a sua utilização, tal como a sua expansão, muito robusta (MIRANDA et al., 2000. apud SANTOS FERNANDES, 2005).

Este tipo de programação tem provado ser uma método muito útil no desenvolvimento de programas complexos, em especial para aqueles que têm por objectivo simular problemas “do mundo real”, como é o caso da modelação de processos marinhos ou estuarinos (SANTOS FERNANDES, 2005).

Este modelo é programado em ANSI Fortran 95, garantindo a independência do sistema Mohid face ao sistema operativo em qual se pretende executar o modelo (Windows, Linux, Unix e etc.) e uma fácil implantação do código em qualquer ambiente. Embora a linguagem FORTRAN 95 não seja uma OOL (Object Oriented Language), os módulos de FORTRAN podem funcionar como classes de uma normal OOL, em que os objetos são criados a partir das classes. A comunicação entre os diferentes módulos que compõem o sistema é feita numa base de cliente/servidor garantindo assim o encapsulamento da informação de cada módulo (Duffy, 1995 apud SANTOS FERNANDES, 2005).

Segundo o autor, o tempo de execução do programa – ou tempo simulado versus o tempo da unidade central de processamento –, varia em função da malha de cálculo e do passo de tempo utilizado. A possibilidade de correr os vários módulos que compõem o sistema Mohid com passos de tempo diferentes, permite ao utilizador obter resultados em reduzido espaço de tempo. Todo o modelo utiliza a alocação dinâmica da memória, tornando-se assim mais versátil, podendo para qualquer tipo de simulação sempre ser utilizado o mesmo executável do programa. Com esta filosofia de programação também é possível utilizar uma metodologia de “modelos encaixados” de tal modo que o número de modelos encaixados que o utilizador pode definir é ilimitado. Na realidade, esta escolha está limitada à capacidade de cálculo disponível (SANTOS FERNANDES, 2005)

Atualmente, diz o autor, que o sistema Mohid é um conjunto de diversas ferramentas numéricas, agrupado em três grandes grupos: (i) Mohid Water, (ii) Mohid Land, e (iii) Mohid Soil. A primeira ferramenta é responsável pela modelação dos processos hidrodinâmicos, simulação de fenômenos de dispersão, propagação de ondas, transporte de sedimentos, qualidade da água/processos biogeoquímicos na coluna de água e trocas com o fundo. A segunda é um modelo de bacia e a terceira simula o fluxo de água através de meios porosos (SANTOS FERNANDES, 2005).

Segundo Santos Fernandes (2005) o Mohid Water pode ser dividido em quatro grandes classes. As duas primeiras geram as propriedades do escoamento não turbulentas (velocidade, elevação, viscosidade turbulenta, fluxos de água) e turbulentas (viscosidades, difusividades, energia cinética turbulenta, comprimentos de mistura e etc.), as outras duas as propriedades da água (salinidade, temperatura, densidade, amônia, sedimentos coesivos). As três primeiras classes calculam a evolução das propriedades relativamente a um referencial

“Eulereano” e a discretização das equações é feita em volumes finitos.

Especificamente, neste trabalho está se aplicando somente o Mohid Water, com objetivo de simular cenários de lançamentos de efluentes em pontos amostrados no campo onde as variáveis físicas e físico-químicas (OD, DBO, temperatura, pH e Nitrogênio e etc) possibilitem inferir sobre a qualidade ambiental da lagoa. Então, é importante frisar que este trabalho adota o uso do Mohid em seu módulo que avalia as propriedades da água, ou seja, o Mohid Water.

A formulação matemática (numérica) usada na simulação do transporte de substancias contempla a variação do tempo e, quanto ao espaço, ela pode ser unidimensional, bidimensional ou tridimensional, dependendo das características físicas ou morfológicas do sistema.

Dyer (1997), Miranda et al. (2002) e Rosman (1989) mostraram que sistemas hidrodinâmicos submetidos a pequenos aportes podem ser simulados com a aplicação de equações denominadas “Equações de Águas Rasas” (EAR), que resolvem as variáveis do escoamento assumindo que elas não variam demasiadamente na direção vertical da coluna d'água. As equações de águas rasas (EAR) são:

(Eq. 11)

Assim, h é a superfície livre, u e v são respectivamente as componentes longitudinal e transversal da velocidade, Kx e Ky são os coeficientes de dispersão turbulenta e F o termo fonte ou sumidouro, que pode incluir parametrizações da força de atrito ou o arrasto promovido pelo vento na superfície da lagoa. Daí, considerando fontes e sumidouros, devido ao atrito de fundo, pode-se parametrizar a tensão T pela equação (LIMA et al., 2009):

Na Equação 14, Ch² é o coeficiente de Chézy que considera a altura da rugosidade em sua formulação.

O transporte do soluto e de seus constituintes, ou de substâncias não-conservativas, em suspensão podem ser descritos pela versão bidimensional (2-D) horizontal da equação de advecção-difusão. Tal equação é expressa por:

Na Equação 15, representa-se a concentração do soluto ou constituintes em suspensão, onde Dx e Dy são os coeficientes de dispersão turbulenta e R reúne todas as reações internas e aportes externos que possa alterar a concentração dos constituintes simulados (LIMA et al., 2009).

Diversas são as soluções numéricas propostas para resolver esse conjunto de 4 (Quatro) equações e 4 (Quatro) incógnitas (h, u, v e c), sendo que a plataforma computacional Mohid as resolvem pelo método dos volumes finitos – MVF (Versteeg; e Malalasekera, 1995), com malhas estruturadas e utilizando o esquema upwind para termos advectivos, diferenças centradas para os termos difusivos e Clark-Nicholson para o tempo (LIMA et al., 2009).

(Eq. 12)

(Eq. 13)

(Eq. 14)

(Eq. 15)

Neste trabalho, o domínio modelado tem extensão de 0,34 km² (lagoa do Vigário), sendo utilizada uma malha de 182 x 70 metros com uma discretização espacial de 10 (dez) metros para as células quadráticas.

Os dados cartográficos para implementação da batimetria na interface gráfica GIS (Geographical Information System) da plataforma Mohid foram obtidos através da carta batimétrica da lagoa do Vigário (Figura 16), produzida em Fevereiro de 2001, Escala 1:2.500, disponibilizada pela Secretaria Municipal de Meio Ambiente da Prefeitura Municipal de Campos dos Goytacazes.