Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-10-02T15:03:23Z No. of bitstreams: 1 ALLAN SARMENTO VIEIRA - TESE PPGRN) 2011.pdf: 3588977 bytes, checksum: 796c34c01f0797a7b020aa902fa99eeb (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-02T15:03:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ALLAN SARMENTO VIEIRA - TESE PPGRN) 2011.pdf: 3588977 bytes, checksum: 796c34c01f0797a7b020aa902fa99eeb (MD5) Previous issue date: 2011-08-12 / Capes / A utilização de modelos matemáticos na análise de sistemas de recursos hídricos é bastante discutida na literatura, entretanto todos apresentam simplificações quanto a representação matemática da dinâmica dos seus processos ou nas aproximações numéricas das equações não-lineares que descrevem o seu comportamento. Dependendo da aplicabilidade, tais simplificações podem comprometer uma tomada de decisão. Em geral, os modelos de simulação disponíveis para planejamento de sistemas de recursos hídricos a nível de bacia hidrográfica, apesar de serem bastante versáteis, não conseguem considerar certas complexidades devido a algumas limitações matemáticas dos seus algoritmos. Neste contexto foi proposto um modelo de simulação para esta finalidade, que tem como principais características o desenvolvimento de um modelo quali-quantitativo integrado com os múltiplos usos de águas superficiais, a incorporação de não-linearidades dos processos hidráulicos e operacionais e uma função multiobjetivo que otimize, segundo critérios de prioridade, o atendimento das demandas quantitativas hídricas dos diferentes usos e qualitativas relativas ao atendimento de metas de enquadramento para uso, segundo as normas do CONAMA, assim como o atendimento de outras metas operacionais. Os parâmetros de qualidade da água envolvidos são: Demanda Bioquímica de Oxigênio, Oxigênio Dissolvido, Fósforo Total, Nitrogênio Total, Clorofila-a e Coliformes Fecais. As limitações operacionais e hidráulicas foram incluídas no modelo através de restrições lineares (balanço hídrico nos nós, volumes metas, volumes mínimos, capacidade dos componentes, etc.) e não-lineares (vazão vertida máxima, vazão descarregada máxima, área da superfície líquida do reservatório, etc.). As restrições não-lineares foram tratadas a partir de aproximações por segmentos lineares (artifícios de linearização) e resolvidas num processo iterativo (programação linear sequencial) até a convergência do processo a uma tolerância desejada para o erro relativo da função objetivo. As equações do balanço de massa para os parâmetros de qualidade da água, que geralmente requerem o produto de variáveis de decisão, foram linearizadas pelo Método das Aproximações Lineares e agregadas, num mesmo algoritmo, às equações do balanço hídrico. Para avaliar o desempenho do atendimento das demandas hídricas, foram incluídos, no modelo, alguns indicadores de análise de desempenho, como a confiabilidade, vulnerabilidade, resiliência e sustentabilidade. Sua aplicabilidade foi verificada através de uma análise sistêmica dos reservatórios Engenheiro Ávidos e São Gonçalo da bacia hidrográfica do Rio Alto Piranhas - PB e suas demandas quali-quantitativas. A análise deste sistema foi realizada através da idealização de quatro cenários de operação que envolvia o uso de prioridades diferentes e a inclusão de uma Estação de Tratamento de Esgoto - ETE no último cenário. O horizonte de tempo foi de 360 meses. Foram analisados o atendimento às demandas e o enquadramento dos níveis de concentração dos parâmetros de qualidade da água à Classe II do CONAMA 357/05. Os resultados demonstraram que todas as restrições do sistema foram satisfeitas e que as demandas quantitativas obtiveram diferentes garantias de atendimento de acordo com o cenário utilizado. A inclusão da ETE considerada no cenário 04 foi imprescindível para aumentar o atendimento aos usos da água e melhorar a qualidade da água no sistema. O modelo proposto mostrou-se eficiente, quer seja quanto ao tempo de processamento quanto ao atendimento de todas as restrições impostas ao sistema. Apresentou, também, um erro numérico relativamente baixo. / The use of mathematical models in the analysis of water resources systems has been widely discussed in the literature, although all of them present simplifications regarding or to the mathematical representation of its dynamic processes or numerical approximations of the nonlinearities that describe their behavior. Depending upon the model applicability, such simplifications may compromise a decison making. All simulation models available for riverbasin water resources system planning, although being very versatile, are not able to include certain complexities due to some mathematical limitations of their algorithms. Based on this context, to deal with these problems, a new simulation model has been proposed, which has, as main characteristics, the development of an integrated qualiquantitative multiuse surface water systems model, the inclusion of nonlinearities of hydraulic and operational processes and a multiobjective function that otimizes, according to priorities criteria, the fulfillment of water demands for the different uses and the targeted water quality levels, according to the CONAMA norms as well as of other operational targets. The considered water quality parameters were the Biochemical Oxygen Demand, the Dissolved Oxygen, the Total Phosphorus, the Total Nitrogen, the Chlorophyll-a and the Faecal Coliform. The operational and hydraulic limitations were included in the model through linear constraints (water balance, target volumes, minimum volumes, component capacities, etc.) and nonlinear ones (maximum reservoir spillage and discharge flows, reservoir surface water, etc.). The nonlinear constraints were approximated by linear segments (linearization artifices) and solved in an iterative process (sequential linear programming) until a desired tolerance for the objective function relative error was reached. The mass balance for water quality parameters, which requires a multiplication of decison variables, were linearized by the Linear Approximation Method and interacted, in the same algorithm, with the water balance equations. To evaluate the performance of the fulfillment of water demand requirements, some performance indicators, such as reliability, resilience, vulnerability and sustainability, were included in the model. The model's applicability were tested in a systemic analyis of two reservoirs, Engenheiro Avidos and São Gonçalo ones, and their water quali-quantitative demands, which are located in Alto Piranhas riverbasin, PB. The analysis of this system was accomplished through the idealization of 4 operation scenarios, which made use of different priorities and the inclusion of a Waste Water Treatment Plant (ETE) in the last scenario. The simulation time horizon was 360 months. The fulfillment of water demand requirements and of the CONAMA 375/05 Class II targeted concentration level for water quality parameters were analyzed. The results have shwon the all constraints were satisfied and the reliability of water demands requirement fulfillment were different for each of the simulated scenario. The ETE inclusion scenario helped to improve the fulfillment of water demand uses requirement and to improve the system water quality. The new model proved to be efficient regarding to the computer time requirement to achieve a solution as well as to satisfy all constraints of the system. It also presented a small numerical error.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nowadays, the water resource degradation may be verified at any Brazilian cities just by observing its stream flow. Accordingly, the conditions of the stream flows in the Federal University of Santa Maria - UFSM (southern Brazil, Rio Grande do Sul State) follow the degradation. Therefore, the present research intends to analyze a methodology for evaluation of the environment impacts in order to collaborate to water resources management, according to smaller watersheds. This analysis allows that pollution sources identify their environment problems and control the pollution to adjust its conditions to the Federal and Spatial Legislation. Thus, the purposed methodology evaluates the three major parameters: i) surface water resources; ii) groundwater resources; iii) liquid effluents. The surface water resource is evaluated by the quali quantitative monitoring of several parameters of water quality. This control is carried out in two monitoring stations located at the UFSM. These stations are: Gráfica gutter where the upstream subwatershed loads are monitored and Pains gutter where the downstream subwatershed loads are monitored. This division allows finding the pollutant load generated by the respective subwatershed separately (Load Balance), as well as the effluent liquid volume generated by the subwatersheds. The purposed methodology for the evaluation of liquid effluents supplied by UFSM considers the identification of the main point pollution sources and also the quali quantitative monitoring of these effluents. To evaluate the pollution vulnerability of the groundwater it was used the G.O.D method. In this method, some weights are defined in order to represent the geological characteristics and the groundwater level. The qualitative groundwater pollutant risk was determined by crossing the vulnerability data and the liquid effluent data. Hence, by means of inquiry applications, the sanitary - environment characterization of the UFSM external area was achieved, according to the watershed in analysis. The analysis of the outcomes demonstrates that if the pollutant loads were considered, so the water quality of the downstream watershed become highly dependent of the pollutant load deposited in the upstream watershed. Accordingly, it was concluded that the methodology of Load Balance allows verifying the influence of the anthropogenic impacts connected to the degradation of surface water quality. Besides, the methodology presents the pollution supplied to the different basin areas (downstream and upstream), which becomes an appropriate system to support the water quality control in smaller watersheds. The identification, specialization and evaluation of the point pollution sources, together with the evaluation of the pollution vulnerability of the groundwater, permit to hierarch the places extremely affected by the pollution. This fact demonstrates that a simple combination of those methods is a useful tool for the decision makers. The data from water quality of the some well sources in UFSM call attention to discordance between the limits established by the actual legislation and the achieved outcomes, concerning some water quality parameters. To conclude, it is possible to consider that the UFSM groundwater must be suffering the interference of the mankind actions related to the pollutant risk in the watershed. / Atualmente, a degradação dos recursos hídricos pode ser observada em qualquer cidade brasileira apenas pela visualização de seus córregos. Essa realidade não é diferente no Campus da Universidade Federal de Santa Maria (UFSM). Nesse contexto, a presente pesquisa visa ensaiar uma metodologia de avaliação de impacto ambiental que contribua para a gestão dos recursos hídricos em pequenas bacias hidrográficas e possibilite que instituições potencialmente poluidoras caracterizem seus problemas ambientais e controlem seus poluentes adequando-se à legislação Federal e Estadual vigentes. A metodologia utilizada consiste na avaliação de três variáveis principais: i) recursos hídricos superficiais; ii) recursos hídricos subterrâneos; e iii) efluentes líquidos. A avaliação dos recursos hídricos superficiais consiste no monitoramento quali-quantitativo de diversos parâmetros de qualidade da água, realizado em duas estações de monitoramento localizadas no Campus da UFSM: Calha da Gráfica, onde são monitoradas as cargas da sub-bacia de montante (área externa ao Campus e semi-urbanizada), e Calha do Pains, onde são monitoradas as cargas da sub-bacia de jusante (área predominantemente do Campus, com poucas habitações particulares). Esta divisão possibilita a atribuição da carga poluente gerada pelas respectivas sub-bacias individualmente (balanço de cargas), assim como o volume de efluentes líquidos gerado por elas. A metodologia utilizada para a avaliação dos efluentes líquidos gerados pela UFSM considera a identificação das principais fontes pontuais de emissão desses efluentes e seu posterior monitoramento quali-quantitativo. Para a avaliação da vulnerabilidade à poluição dos recursos hídricos subterrâneos utilizou-se o método G.O.D. que consiste na atribuição de valores que representam as características geológicas e o nível da água subterrânea da área de estudo. O risco qualitativo de poluição da água subterrânea foi determinado pelo cruzamento dos dados de vulnerabilidade com os dados referentes aos efluentes líquidos. Ainda, por meio da aplicação de questionários, realizou-se a caracterização sanitária-ambiental da área externa ao Campus da bacia hidrográfica em questão. Os resultados observados evidenciam que, se considerarmos as cargas poluentes específicas a qualidade da água da bacia de jusante torna-se fortemente dependente das contribuições das cargas despejadas na bacia de montante. Constatou-se que a metodologia do balanço de cargas permite a verificação da influência dos impactos das atividades antrópicas ligadas à degradação da qualidade da água superficial, atribuindo a poluição gerada às diferentes áreas da bacia (montante e jusante), tornando-se um sistema adequado de suporte para o controle da qualidade da água em pequenas bacias hidrográficas. A identificação, espacialização e avaliação das fontes pontuais de emissão de efluentes líquidos integrada com a avaliação da vulnerabilidade à poluição da água subterrânea possibilitaram realizar a hierarquização dos locais mais afetados pela poluição, o que demonstra que, embora simples, a combinação dos métodos apresenta-se útil para os gestores. Os valores da avaliação qualitativa da água subterrânea de alguns poços de abastecimento do Campus evidenciam que existe discordância entre os limites estabelecidos pela legislação vigente, de alguns parâmetros de qualidade da água, e os valores obtidos, ou seja, é possível considerar que a água subterrânea já deve estar sofrendo a interferência das ações humanas desenvolvidas na bacia, relativas aos riscos de poluição.