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Mestrado em Recursos Hídricos
Unidade Curricular: Modelação de Recursos Hídricos
Docentes
Responsável/ Coordenadora da Unidade Curricular:
Profª. Doutora Jacinta Fernandes (FERN, UAlg, Gab. F5); [email protected]
Engenheira do Ambiente e Doutorada em Ciências e Tecnologias do
Ambiente, especialidade Modelação Ambiental
Prof. Doutor Flávio Martins (EST, UAlg, gab. 99) ; [email protected]
Eng. Mecânico, Doutorado em Engenharia Mecânica, Modelação
Hidrodinâmica de Escoamentos Costeiros.
Prof. Doutor Luis Nunes (FCMA, Ualg, gab. 2.33); email : [email protected];
w3.ualg.pt/~lnunes
Engenheiro do Ambiente e Doutorado em Ciências de Engenharia.
Objectivos Pedagógicos
Aquisição de conhecimentos básicos sobre:
- pensamento sistémico, análise e teoria de sistemas;
- fundamentos, metodologias e técnicas de modelação;
- introdução ao desenvolvimento de modelos de simulação, como
ferramentas de organização e estruturação da informação, de
investigação científica e de gestão de RH;
- Modelação e simulação hidrológica de rios e águas correntes, de
lagos e albufeiras, de baías e estuários;
- Simulação das trocas de calor
Aquisição de Competências
- Capacidade de abordar um problema de acordo com o paradigma
sistémico, a análise e teoria de sistemas;
- Capacidade de exploração de problemas no âmbito dos Recursos
Hídricos e de procura de soluções recorrendo á utilização de
técnicas de modelação, nomeadamente de questões relativas á
simulação de processos hidrológicos e de qualidade da água (trocas
de calor, físico-químicos e biológicos) ou seja a capacidade de
utilização de modelos como ferramentas de apoio à decisão;
- Familiarização com alguns programas de simulação e modelos
comerciais para aplicação de casos de estudo;
- identificação dos processos físicos relevantes em escoamentos de
águas superficiais, na escolha das melhores metodologias de
modelação para a solução dos diversos tipos de problemas e na
análise crítica das limitações associadas aos métodos e dos
resultados obtidos;
- de desenvolver, de forma autónoma, modelos de diferenças finitas
para problemas simples de escoamentos superficiais e será capaz de
utilizar modelos comerciais para análise detalhada de problemas
concretos.
Conteúdos programáticos
1. Introdução
1.1. Pensamento Sistémico, Análise e Teoria de Sistemas; Princípios gerais
e fundamentos da modelação e simulação
1.2. Classificação e tipologia de modelos
1.3. Modelos como ferramenta de síntese, pesquisa e gestão
1.4. Retrospectiva histórica e revisão do estado-da-arte
2. Conceitos gerais de modelação
2.1. Conceito de sistema e sistema cibernético
2.2. Elementos de um modelo
2.3. Procedimento de modelação
2.4. Ferramentas matemáticas
3. Modelos Conceptuais
3.1. Diagramas causais e conceptuais
3.2. Aplicação de modelos conceptuais
3.3. Construção e aplicação de modelos dinâmicos
4. Equações de transporte de uma propriedade genérica
4.1. Aplicação a um referencial Lagrangiano
4.2. Aplicação a um referencial Euleriano
5. Aplicação ao transporte de massa, de quantidade de movimento e de
poluentes
6. Aplicação ao caso de um modelo ecológico
7. Processos de discretização
7.1. Tipos de malhas
7.2. Tipos de Métodos Numéricos
7.3. Discretização do domínio físico
7.4.
Discretização das equações pelo método dos volumes finitos
(aplicação a uma equação de transporte simples)
8. Propriedades numéricas dos métodos
8.1. Convergência
8.2. Estabilidade
8.3. Critérios de estabilidade (nº de Courant e Nº de difusão)
9. Introdução ao uso do sistema MOHID
9.1. Interface gráfica para entrada de dados
9.2. Interface gráfica para análise de resultados
9.3. MOHID_GIS para análise espacial de dados e resultados
10. Exemplos de aplicação do sistema MOHID
10.1. Criação de um projecto
10.2. Execução de uma simulação hidrodinâmica
10.3. Análise dos resultados
10.4. Execução de uma simulação com descarga de uma substância
10.5. Execução de uma simulação com transporte Lagrangiano (pluma de
emissão)
11. Introdução ao uso do sistema MODFLOW/MT3D
11.1. Interface gráfica para entrada de dados
11.2. Interface gráfica para análise de resultados
12. Exemplo de aplicação do sistema MOHID
12.1. Criação de um projecto
12.2. Execução de uma simulação hidrodinâmica
12.3. Execução de uma simulação com descarga de uma substância
12.4. Execução de uma simulação com transporte Lagrangiano (pluma de
emissão)
12.5. Análise dos resultados
Calendário/Datas
8 Novembro de manhã (9 – 13H)- apresentação da disciplina; introdução
ao conceito de modelação e simulação; documentário em vídeo e debate;
Paradigma e Pensamento Sistémico.
8 Novembro de tarde (14 -18H) – Análise de Sistemas, Modelos Verbais e
Diagramas Causais; Teoria de Sistemas, tipos de variáveis e formulações
matemáticas; Modelos conceptuais - Problemas e exercícios; exemplos em
endereços (sites) de Modelação-.
15 Novembro de manhã (9 – 13H) – leitura, análise e realização de um
comentário crítico sobre um artigo científico temático.
15 Novembro de tarde (14 -18H) – Desenvolvimento de modelos de
simulação e etapas de modelação; exemplo do desenvolvimento de um
modelo para um caso de estudo.
20 Novembro – Modelação de escoamentos em rios e estuários, equações
de transporte, malhas computacionais e métodos numéricos
21 Novembro – Criação de raiz de um modelo de advecção-difusão 1D
recorrendo a uma folha de cálculo; demonstração dos conceitos de
implícito, explicito, estabilidade, etc.
22 Novembro – trabalho autónomo, em grupo; aplicação do modelo
MOHID (ou de outro modelo de simulação de águas superficiais), em
configuração 2D, a um caso esquemático simples com modelação de
hidrodinâmica e de transporte de uma substância conservativa.
4 Dezembro – Introdução ao sistema de modelação MOHID, Início da
construção de uma simulação 2D num caso simples.
5 Dezembro – Continuação da construção de uma simulação 2D com o
sistema MOHID, transporte de substâncias com modelos Eulerianos e
Lagrangianos.
6 Dezembro de manhã (9 – 13H)- Apresentação da tema modelação do
transporte de massa no solo e águas subterrâneas.
6 Dezembro de tarde (14 -18H)- Exemplos de aplicação (estimativa das
concentrações e avaliação de risco ambiental e na saúde pública); início do
desenvolvimento do exemplo prático;
12 Dezembro (18 – 22.30H)– continuação do exemplo prático.
13 Dezembro de manhã (9 – 13H)- Finalização dos relatórios e preparação
das apresentações orais.
13 Dezembro de tarde (14 -18H)- Apresentação oral e discussão dos
trabalhos.
Local
sala Inf.1.5.1 do edifício da FERN
Avaliação
Será realizada em 3 momentos distintos (da responsabilidade de cada um
dos três docentes):
A Jacinta Fernandes pretende que os alunos desenvolvam competências
ao nível da capacidade de análise, discussão e comentário de temas
científicos publicados em revista da especialidade – comentário crítico a
um artigo científico temático (trabalho individual).
O Flávio Martins pretende que os alunos desenvolvam competências ao
nível do aplicação de modelos e/ou outras ferramentas leccionadas aos
caso de estudo. A avaliação será efectuada através de um trabalho
computacional utilizando o modelo MOHID apresentado nas aulas (ou,
caso o aluno deseje, outro modelo de simulação de águas superficiais).
O trabalho será efectuado por grupos de até 3 alunos e consistirá na
aplicação do modelo em configuração 2D a um caso esquemático simples
com modelação de hidrodinâmica e de transporte de uma substância
conservativa. Os alunos apresentarão um relatório (máximo 15 páginas).
Em caso de necessidade poderá ser feita uma prova oral.
O Luís Nunes também pretende que os alunos desenvolvam um trabalho,
onde se pretende também avaliar as capacidades de exposição oral e de
apresentação para públicos mais alargados (apresentação oral com
“power point”).
Os trabalhos serão realizados em grupo, com um nº máximo de 3
elementos. Em cada um dos temas ou trabalhos os elementos que
compõe o grupo serão distintos; ou seja requer-se que para diferentes
trabalhos os estudantes se organizem em diferentes grupos. As datas de
entrega dos distintos trabalhos serão acordadas com os docentes em
causa, desde que dentro do período legalmente estabelecido para a
docência desta unidade curricular. Também os critérios de avaliação de
cada um dos trabalhos serão estabelecidos pelo docente e acordados com
os alunos.
A nota final será a média aritmética dos três trabalhos realizados, e
calculada de acordo com a formula:
nota final = (Trabalho 1 + Trabalho 2 + trabalho 3) / 3
Nos casos em que o aluno não atinja a nota mínima (10 valores) para ser
aprovado nesta unidade curricular, será convidado pelos docentes a
melhorar o trabalho mais fraco, mediante acompanhamento tutorial do
docente em causa, dentro dos prazos estabelecidos por lei.
Bibliografia de Apoio
Abbott, M. e D. Basco, 1989. Computational fluid dynamics: an introduction for
engineers. Longman Scientific & Technical. London.
Davis, M.L. e Cornwell, D.A. 1991. Introduction to environmental engineering. 2º ed.,
McGraw-Hill Int. Ed., 822 p.
Fetter, C.W. (1993). Contaminant Hydrogeology. McMillan.
Ford, A. 1999. Modeling the Environment. Island Press. 401+ix p.
Kantha, L. H. and C. A. Clayson, 2000. Numerical Models of Oceans and Oceanic
Processes. International Geophysics Series. Volume 66. Academic Press.
Jorgensen, S.E. 1994. Fundamentals of Ecological Modeling. Developments in
Environmental Modeling 19, Elsevier, 628 p.
Manuais MOHID
Meadows, D.L.; Meadows, D.L. e Randers, J. 2004. Limits to Growth. The 30-Year
Update. Chelsea Green Publ. Co. ISBN 1-931498-58-X
Roberts, N.; Andersen,D. F.; Deal, R. M.; Garet, M. S. 1983. Introduction to
Computer Simulation: The System Dynamics Approach. Addison-Wesley Publ. Comp.,
562 p.
Sterman, J. D. 2000. Business Dynamics: Systems Thinking and Modeling for a Complex.
World. Irwin McGraw-Hill, Boston, 981+xxvi p.
Versteeg, H.K., Malalasekera, W., 1995. An introduction to computational fluid
dynamics the finite volume method Longman Scientific & Technical.
Wen-Hsing Chiang and Wolfgang Kinzelbach. 2005. 3D-Groundwater Modeling with
Pmwin: A Simulation System for Modeling Groundwater Flow and Transport Processes.
Springer.