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1Introdu¸c˜ao EstudodaConcentra¸c˜aodaPolui¸c˜aodoArcomParˆametroFuzzy

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Academic year: 2023

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Estudo da Concentra¸c˜ ao da Polui¸c˜ ao do Ar com Parˆ ametro Fuzzy

Jennifer Cristina Borges1

Instituto de Biociˆencias, Letras e Ciˆencias Exatas, UNESP, S˜ao Jos´e do Rio Preto, SP

Rosana Sueli da Motta Jafelice2

Faculdade de Matem´atica, UFU, Uberlˆandia, MG

Luiz Antˆonio de Oliveira3

Instituto de Geografia, UFU, Uberlˆandia, MG

Ana Maria Amarillo Bertone4

Faculdade de Matem´atica, UFU, Uberlˆandia, MG

Resumo. O objetivo deste trabalho ´e modelar matematicamente uma fonte de polui¸c˜ao, que consideramos como sendo a chamin´e de uma ind´ustria, que contamina a atmosfera com uma nuvem de polui¸c˜ao que se espalha pela cidade de Uberlˆandia. Modelamos o problema considerando uma equa¸c˜ao diferencial parcial advectiva-difusiva em um dom´ınio irregular, no caso o mapa de Uberlˆandia, com condi¸c˜ao de fronteira de Dirichlet homogˆenea e os parˆametros difus˜ao e velocidades s˜ao calculados atrav´es de Sistemas Baseados em Regras Fuzzy (SBRF). As vari´aveis de entrada do SBRF para a, vari´avel de sa´ıda, difus˜ao s˜ao:

temperatura e concentra¸c˜ao de poluentes. A vari´avel de entrada dos SBRF que tem como vari´aveis de sa´ıda, as velocidades na dire¸c˜aoxey, ´e a for¸ca de atrito causada por barreiras, como por exemplo: edif´ıcios, vegeta¸c˜ao e outros. Utilizamos dados reais de temperatura, varia¸c˜oes de concentra¸c˜ao de poluentes e varia¸c˜oes das velocidades na dire¸c˜ao x e y da cidade de Uberlˆandia, esses dados s˜ao importantes na obten¸c˜ao dos SBRF utilizados para calcular os parˆametros da equa¸c˜ao. A equa¸c˜ao ´e resolvida atrav´es de aproxima¸c˜oes num´ericas via M´etodo de Elementos Finitos e o M´etodo de Cranck-Nicolson para a discretiza¸c˜ao no tempo. Atrav´es dessa modelagem ´e poss´ıvel verificar qual ´e a melhor localiza¸c˜ao de um

“polo industrial” em Uberlˆandia, nos pontos estudados.

Palavras-chave. Equa¸c˜oes Diferenciais Parciais; Sistema Baseado em Regras Fuzzy; Con- centra¸c˜ao de Poluentes; Dados de Sat´elite; M´etodo de Elementos Finitos.

1 Introdu¸ c˜ ao

O prop´osito do estudo ´e modelar na cidade de Uberlˆandia uma fonte de polui¸c˜ao que consideramos como sendo uma chamin´e de uma ind´ustria que contamina a atmosfera com uma nuvem de polui¸c˜ao que se espalha por toda a cidade em uma malha irregular.

Consideramos, tamb´em, a presen¸ca de um vento regional, e a possibilidade de um decaimento de aeross´ois poluentes por conta do assentamento das part´ıculas. Como es- tamos considerando um certo vento regional, podemos tomar a velocidade como sendo v = (v1, v2). Vamos construir um modelo evolutivo para descrever esta situa¸c˜ao e pro- gramar um c´odigo num´erico de modo que possamos obter aproxima¸c˜oes da evolu¸c˜ao do

1jennifercristina6@hotmail.com

2rmotta@ufu.br

3luiz.oliveira@ufu.br

4amabertone@ufu.br

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quadro de impacto num determinado per´ıodo de tempo. Esse trabalho difere do problema desenvolvido por [5] e [6], que realiza o estudo em uma cidade hip´otetica retangular com parˆametro fuzzy apenas na difus˜ao; nesta abordagem utilizamos dados reais de tempera- tura, informa¸c˜oes da difus˜ao e das velocidades de Uberlˆandia, em malha compat´ıvel com o mapa da cidade.

Assim, com a inten¸c˜ao de tornar este estudo mais pr´oximo da realidade, considera- mos a fronteira do dom´ınio como sendo o contorno da cidade de Uberlˆandia e utilizamos dados reais de temperatura obtidos pelo sat´elite Landsat-8. Inicialmente, obtemos a apro- xima¸c˜ao da solu¸c˜ao da equa¸c˜ao determin´ıstica atrav´es do M´etodo dos Elementos Finitos (MEF) e do M´etodo de Cranck-Nicolson. Em seguida, incorporamos SBRF para levar em considera¸c˜ao fatores reais que influenciam a difus˜ao de poluentes e as velocidades. Inicial- mente, definimos conjunto fuzzy. Dado um conjuntoX universo definimos como conjunto A fuzzy pela sua fun¸c˜ao de pertinˆencia µA(x) ∈ [0,1]. Em [1], comenta os detalhes das quatro componentes da estrutura do SBRF que s˜ao: fuzzifica¸c˜ao, base de regras, m´etodo de inferˆencia e defuzzifica¸c˜ao.

Na pr´oxima se¸c˜ao apresentamos alguns componentes que interferem na concentra¸c˜ao de poluentes do ar.

2 Fatores que Influenciam a Concentra¸ c˜ ao de Poluentes do Ar em Uberlˆ andia

Nesta se¸c˜ao estudamos os fatores que influenciam os parˆametros fuzzy com a cola- bora¸c˜ao de um especialista na ´area de climatologia. Para determinar a concentra¸c˜ao de poluentes do ar em Uberlˆandia, precisamos de 896 valores de temperatura da cidade, que ´e o n´umero de n´os da malha. Assim, utilizamos imagens de sat´elite adquiridas no portal eletrˆonico do centro de sensoriamento remoto do Servi¸co Geol´ogico dos Estados Unidos (USGS) para obtermos tais temperaturas. Optamos por manipular as imagens no mˆes de junho e setembro por apresentar uma diferen¸ca expressiva de temperaturas.

Utilizamos valores de temperatura aparente de superf´ıcie do Thermal Infrared Sensor (TIRS)/Landsat-8, banda 10, para os meses de junho e setembro de 2014. Apresentamos duas imagens de sat´elite do Landsat-8, ambas da banda 10 (infravermelho termal) e de faixa espectral (10,6-11,9 µm) [4].

A imagem apresentada na Figura 1 foi coletada pelo sat´elite com passagem em 14 de ju- nho de 2014 `as 10:15min:12s. Todos os processamentos de corre¸c˜ao e convers˜ao de imagens foram realizados no software Envi 4.7 e no ArcGis 10.1 com a colabora¸c˜ao do especialista na ´area (para maiores detalhes ver [1]). Posteriormente, para um melhor detalhamento dos dados, definiu-se classes (intervalos) de temperatura de superf´ıcie, ap´os todo os pro- cessamentos e convers˜oes obtemos a Figura 2 que apresenta o mapa de Uberlˆandia com as temperaturas do mˆes de junho, e a seguinte escala: 1cm ´e equivalente a 1,5km. Esse mesmo processo foi utilizado para gerar o mapa de Uberlˆandia com as temperaturas no mˆes de setembro. O terceiro autor, coordenador do Laborat´orio de Climatologia da Uni- versidade Federal de Uberlˆandia, organizou e forneceu essas figuras obtidas pelo software ArcGis 10.1.

(3)

Figura 1: Imagem do sat´elite do mˆes de junho processada no Envi 4.7.

Figura 2: Imagem do mapa de Uberlˆandia com as temperaturas no mˆes de junho.

Na Figura 3 ´e representada a malha discretizada utilizada para a aproxima¸c˜ao num´erica da equa¸c˜ao (1). Essa malha foi obtida utilizando o contorno em vermelho apresentado na Figura 2, que geramos no software livre GMSH [3] juntamente com o software Matlab, e a partir da´ı, obtemos a malha triangularizada para a aplica¸c˜ao do MEF.

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882 883

884 885 886

887

888 889

890 891 892 893 894 895 896

Figura 3: Mapa de Uberlˆandia discretizado.

Para relacionar cadan´o da malha da Figura 3 com o mapa das temperaturas Figura 2, foi necess´ario sobrepor estas e fazer a intersec¸c˜ao para criar os 896n´os na Figura 2. Assim, temos o valor da temperatura em cada n´o da malha. Para o mˆes de setembro fizemos de maneira an´aloga. As temperaturas m´ınima, m´edia e m´axima para o mˆes de junho s˜ao 14.5oC, 23.39oC, 27.5oC, respectivamente. As temperaturas m´ınima, m´edia e m´axima para o mˆes de setembro s˜ao 23.5oC, 33.19oC, 37.5oC, respectivamente.

De [2], temos que a varia¸c˜ao da concentra¸c˜ao M P10 (part´ıculas com diˆametro aero- dinˆamico inferior a 10 µm) ´e 0−300µm, medida no centro de Uberlˆandia em 2003. A classe de velocidades de vento predominante no ano de 2012 foi de 0.5−2m/s (varia¸c˜ao da resultante da velocidade).

3 Modelo Determin´ıstico para a Polui¸ c˜ ao do Ar

A equa¸c˜ao que descreve o fenˆomeno abordado no problema ´e dada por:

(4)





∂u

∂t −α ∂2u

∂x2 +∂2u

∂y2

+v1

∂u

∂x+v2

∂u

∂y +σu=f (x, y)∈Ω, t∈(0, T]

u= 0 em ∂Ω

u(x, y,0) =u0(x, y)

(1)

ondeu(x, y, t) ´e a concentra¸c˜ao de poluentes no instantet,αrepresenta a difus˜ao na regi˜ao, v1 ev2 s˜ao a velocidade de transporte (que ocorrer´a nos eixosx ey, respectivamente), oσ representa o decaimento e of representa a fonte de poluentes (no nosso caso, a chamin´e).

A fun¸c˜ao f ´e definida como:

f(x, y, t) = 0, ∀(x, y)6= (xi, yi) para algum i∈ {1,· · · ,896} e f(xi, yi, t) =d, ∀t∈N.

Vamos considerar as condi¸c˜oes de contorno u = 0, isto ´e, assumindo que a cidade de Uberlˆandia seja grande o suficiente, que a concentra¸c˜ao de poluentes na fronteira seja igual a zero [4]. A aproxima¸c˜ao num´erica da solu¸c˜ao da equa¸c˜ao (1) ´e obtida com σ = 0.001, α= 0.8,v1 = 0.02m/s2,v2= 0.001m/s2, o valor da fonte ´ed= 0.002 e a condi¸c˜ao inicial

´e dada por:

u0(x, y) = 0, ∀(x, y)6= (xi, yi) para algumi∈ {1,· · · ,896} e u0(xi, yi) =d.

Na Figura 4 ´e apresentado o gr´afico da concentra¸c˜ao dos poluentes na primeira itera¸c˜ao. Na Figura 5 ´e apresentado o gr´afico da concentra¸c˜ao de poluentes non´o 644 para 100 itera¸c˜oes.

Observe que independente do n´o que colocamos a fonte de poluentes, obtemos a mesma concentra¸c˜ao de poluentes, pois consideramos os parˆametros α,v1,v2 e σ constantes.

Figura 4: Concentra¸c˜ao de poluentes no ar no in´ıcio do processo.

0 20 40 60 80 100

0 1 2 3 4 5 6 7 8x 10−4

Tempo (t)

Concentração de Poluentes

Figura 5: Concentra¸c˜ao de poluentes em cada itera¸c˜ao noo 644.

4 Modelo Fuzzy para a Polui¸ c˜ ao no Ar

Na equa¸c˜ao (1), incorporamos a difus˜ao, velocidade no eixo x e y como parˆametros fuzzy, e lembrando que em (1) o dom´ınio considerado ´e a cidade de Uberlˆandia. Assim, a equa¸c˜ao do modelo se apresenta da forma:





∂u

∂t −α(T, u) ∂2u

∂x2 +∂2u

∂y2

+v1(A)∂u

∂x+v2(A)∂u

∂y +σu=f (x, y)∈Ω, t∈(0, T]

u= 0 em∂Ω

u(x, y,0) =u0(x, y).

(2)

(5)

Note que, neste caso esses parˆametros s˜ao calculados em fun¸c˜ao de algumas carac- ter´ısticas da posi¸c˜ao da malha atrav´es de um SBRF, sendo o valor da fonte d = 100.

Vamos utilizar a temperatura (T) e a concentra¸c˜ao de polui¸c˜ao (u) de cada ponto da ci- dade (malha) como fatores que influenciam na difus˜aoα. Tamb´em, consideramos a for¸ca de atrito (A) como vari´avel que influencia nas velocidades. Assim, utilizamos os SBRF apresentados na subsec¸c˜ao 4.1, para obtermos os diferentes valores deα,v1 ev2 um para cada ponto do dom´ınio discretizado, onde acontece a difus˜ao.

A fun¸c˜aof ´e definida como:

f(x, y, t) = 0, ∀(x, y)6= (xi, yi) para algum i∈ {1,· · · ,896} e

f(xi, yi, t) =

d, set <˜t 0, set≥˜t, d >0.

Na simula¸c˜ao consideramos a condi¸c˜ao inicial dada por:

u0(x, y) = 0, ∀(x, y)6= (xi, yi) para algumi∈ {1,· · · ,896} e u0(xi, yi) =d.

O valor de ˜t = 5 representa o tempo de funcionamento da ind´ustria. Consideramos que a ind´ustria emite poluentes no per´ıodo matutino, pois a passagem do sat´elite ´e nesse per´ıodo. Estamos considerando que cada itera¸c˜ao representa uma hora, desta forma, a ind´ustria emite poluentes por cinco horas. Podemos observar que a equa¸c˜ao (2) n˜ao ´e linear, pois precisamos determinar a difus˜ao da polui¸c˜ao no presente instante afim de encontrar a solu¸c˜ao em cada tempo posterior. Assim utilizamos o c´alculo da extrapola¸c˜ao da concentra¸c˜ao da polui¸c˜ao feita poruext= 2ui+1−ui, i= 1,2, . . ., obtendo a concentra¸c˜ao no presente instante e determinamos a difus˜ao pelo SBRF. Logo a aproxima¸c˜ao da solu¸c˜ao num´erica da equa¸c˜ao (2) ´e obtida utilizando o MEF e o m´etodo de Crank-Nicolson, e os parˆametros fuzzy α,v1 ev2.

4.1 Sistemas Baseados em Regras Fuzzy

Nesta subse¸c˜ao apresentamos os SBRF que s˜ao utilizados para obter os parˆametros fuzzy da equa¸c˜ao diferencial parcial advectiva-difusiva (2).

A difus˜ao depende da temperatura e da concentra¸c˜ao de poluentes. Utilizamos as varia¸c˜oes da temperatura e da concentra¸c˜ao deM P10 j´a apresentadas no se¸c˜ao 2. Consi- deramos o dom´ınio da temperatura [14.5,37.5], sendo do valor m´ınimo ao valor m´aximo das temperaturas nos meses de junho e setembro. A outra vari´avel de entrada, concentra¸c˜ao de poluentes apresenta o dom´ınio [0,300]. As fun¸c˜oes de pertinˆencia s˜ao triangulares e trapezoidais. A vari´avel lingu´ıstica de sa´ıda, difus˜ao da polui¸c˜ao (α) consideramos o dom´ınio [0,1] e as fun¸c˜oes de pertinˆencia s˜ao triangulares. Cada vari´avel lingu´ıstica tem trˆes termos lingu´ısticos. Assim, o SBRF tem nove regras fuzzy, apresentamos uma regra:

• Se a temperatura ´e ´e alta e a concentra¸c˜ao de poluentes ´e m´edia ent˜ao a difus˜ao ´e alta.

O m´etodo de inferˆencia ´e o m´etodo de Mamdani e o m´etodo de defuzzifica¸c˜ao ´e o Centro de Gravidade.

(6)

As velocidades dependem da for¸ca de atrito. Para obter a varia¸c˜ao das velocidades na dire¸c˜ao x e y utilizamos [2] j´a mencionado na se¸c˜ao 2, ou seja, a varia¸c˜ao da resul- tante da velocidade est´a entre 0.5 e 2m/s. Como os valores fornecidos s˜ao referentes `a resultante da velocidade e estamos trabalhando com as componentes xe y da velocidade, devemos determinar as varia¸c˜oes das componentes. Consideramos no SBRF a velocidade na dire¸c˜ao do eixox variando de 0 a 0.5m/s e a velocidade na dire¸c˜ao do eixoy variando de 0 a 0.01m/s, ou seja, a resultante ´e igual 0.5m/s, quando as componentes s˜ao 0.01m/s e 0.5m/s. A vari´avel lingu´ıstica de entrada parav1 e v2 ´e a for¸ca de atrito, com dom´ınio [0,1]. As fun¸c˜oes de pertinˆencia s˜ao trapezoidais. A vari´avel lingu´ıstica de sa´ıdav1 (Velo- cidade na dire¸c˜ao x, com dom´ınio [0,0.5]. No outro SBRF tem como vari´avel de sa´ıda v2

(Velocidade na dire¸c˜ao y) com dom´ınio [0,0.01]. As fun¸c˜oes de pertinˆencia para v1 e v2

s˜ao trapezoidais.

Como temos as temperaturas em cada n´o da malha, precisamos do valor do atrito em cada n´o. Devido `a dificuldade de obter barreiras nos pontos da cidade, optamos por utilizar uma distribui¸c˜ao randˆomica entre 0 e 1, para o valor do atrito em cada n´o da malha.

Uma das regras fuzzy baseada no conhecimento do especialista na ´area ´e a seguinte:

• Se a for¸ca de atrito ´ealta ent˜ao as velocidades v1 ev2 s˜ao baixas.

Consideramos a cidade de Uberlˆandia dividida em 5 regi˜oes como mostra a Figura 6, escolhemos um n´o em cada regi˜ao para estudarmos a concentra¸c˜ao de poluentes nessas regi˜oes. Os n´os escolhidos foram:

o 130: Regi˜ao Sul (Proximidades do bairro Shooping Park e da Faculdade UNITRI);

o 159: Regi˜ao Leste (Proximidades do Par- que do Sabi´a);

o 512: Regi˜ao Oeste (Imedia¸c˜oes do bairro Jardim Europa);

o 644: Regi˜ao Central(Centro da cidade);

o 696: Regi˜ao Norte (Proximidades do Dis-

trito Industrial). Figura 6: Regionaliza¸c˜ao de Uberlˆandia.

Os gr´aficos das Figuras 7 e 8 apresentam a concentra¸c˜ao de poluentes ap´os 8 itera¸c˜oes nosn´os 644, 130, 159, 512 e 696. As simula¸c˜oes foram feitas nesses cincon´os para identi- ficar qual seria a melhor localiza¸c˜ao para se construir outras ind´ustrias. Esta identifica¸c˜ao

´e realizada verificando-se onde a concentra¸c˜ao de poluentes assume o menor valor. Ob- serve que os gr´aficos das figuras mostram que a concentra¸c˜ao de poluentes aumenta at´e a itera¸c˜ao 5, mostrando que a ind´ustria est´a emitindo poluente. Nas itera¸c˜oes seguintes, a concentra¸c˜ao de poluentes diminui a cada itera¸c˜ao. Este comportamento ´e compat´ıvel com o esperado. Na Figura 9 ´e apresentada a diferen¸ca de concentra¸c˜ao de poluentes entres os meses de junho e setembro em cada n´o e atrav´es dessa figura nota-se que a regi˜ao mais adequada para a constru¸c˜ao de outras ind´ustrias ´e pr´oximo don´o 644.

(7)

1 2 3 4 5 6 7 8 0

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Tempo (t)

Concentração de Poluentes

Nó 644 Nó 130 Nó 159 Nó 512 Nó 696

Figura 7: Concentra¸c˜ao de poluentes no ar em cada o, no mˆes de junho.

1 2 3 4 5 6 7 8

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

Tempo (t)

Concentração de Poluentes

Nó 644 Nó 130 Nó 159 Nó 512 Nó 696

Figura 8: Concentra¸c˜ao de poluentes no ar em cada o, no mˆes de setembro.

1 2 3 4 5 6 7 8

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Tempo (t)

Diferença de Concentração de Poluentes

Nó 644 Nó 130 Nó 159 Nó 512 Nó 696

Figura 9: Diferen¸ca de con- centra¸c˜ao de poluentes dos meses em cada o.

5 Conclus˜ oes

Como on´o 644 est´a localizado na regi˜ao central da cidade, pela l´ogica n˜ao seria vi´avel construir uma ind´ustria neste local, assim devemos observar o n´o que teria a segunda menor concentra¸c˜ao. Logo, a melhor localiza¸c˜ao seria no n´o 159 que est´a localizado na regi˜ao leste da cidade. Portanto conclu´ımos que a melhor localiza¸c˜ao para se construir outras ind´ustrias na cidade de Uberlˆandia seria na regi˜ao Leste da cidade, considerando os n´os estudados. No modelo determin´ıstico a concentra¸c˜ao de poluentes ´e a mesma em qualquer ponto da cidade, pois n˜ao ´e levado em conta fatores importantes que influenciam a dispers˜ao e a velocidade dos poluentes. Assim, acreditamos que, devido `a incerteza dos fenˆomenos naturais, a combina¸c˜ao de equa¸c˜oes diferenciais e a teoria da l´ogica fuzzy nos permite retratar o fenˆomeno estudado mais pr´oximo da realidade poss´ıvel.

Agradecimentos

A primeira autora agradece `a CAPES pela bolsa de doutorado e a segunda autora agradece `a bolsa da Capes/Est´agio Sˆenior/Processo no 88881.119095/2016-01.

Referˆ encias

[1] J. C. Borges, Estudo da Concentra¸c˜ao da Polui¸c˜ao do Ar com Parˆametro Fuzzy em Uberlˆandia, Disserta¸c˜ao de Mestrado, UFU, 2016.

[2] M. V. O. Fernandes, Simula¸c˜ao da Concentra¸c˜ao de Material Particulado Inal´avel de Origem Veicular em uma Interse¸c˜ao Sinalizada de Uberlˆandia-MG, Disserta¸cao de mestrado em Engenharia Qu´ımica, UFU, 2013.

[3] Gmsh: a three finite element mesh generator with built-in pre- and post-processing facilities. http://geuz.org/gmsh/. Acesso: 28 de janeiro, 2015.

[4] S. A. Marciel e L. A. Oliveira, Avalia¸c˜ao do valores gerados de temperatura de su- perf´ıcie dos sensores TIRs do sat´elite Landsat 8 aplicados ao per´ımetro urbano do munic´ıpio de Uberlˆandia-MG,AMBI ˆENCIA, 12(3): 821-830, 2016.

[5] C. C. Oliveira, P. H. Mello, R. S. M. Jafelice and J.F. Meyer, A Model of Dispersion of Pollutants in the Air using Fuzzy Parameters, In International Symposium on Mathematical and Computational Biology, Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasil, 2010.

[6] D. S. Oliveira, Aplica¸c˜oes de Equa¸c˜oes Diferenciais com Parˆametro Fuzzy, Monografia, UFU, 2011.

Referências

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