PLATAFORMA TECNOLÓGICA PARA DESENVOLVIMENTO DE FERRAMENTAS HIDROINFORMÁTICAS DE APOIO À GESTÃO DE RECURSOS HÍDRICOS

Transcrição

1 PLATAFORMA TECNOLÓGICA PARA DESENVOLVIMENTO DE FERRAMENTAS HIDROINFORMÁTICAS DE APOIO À GESTÃO DE RECURSOS HÍDRICOS Rui P. D. PINHO Eng. de Sistemas e Informática, Departamento de Engenharia Civil, Universidade do Minho; Braga, rppinho@civil.uminho.pt José L. S. PINHO Professor Auxiliar, Departamento de Engenharia Civil, Universidade do Minho; Braga, jpinho@civil.uminho.pt José M. P. VIEIRA Professor Catedrático, Departamento de Engenharia Civil, Universidade do Minho; Braga, jvieira@civil.uminho.pt RESUMO A hidroinformática tem sofrido desenvolvimentos apreciáveis nos últimos anos. O aumento das capacidades computacionais tem permitido a criação de modelos de simulação da hidrodinâmica e da qualidade da água em meios hídricos com elevadas resoluções espaciais e temporais. Desta forma, torna-se possível a implementação de modelos operacionais que constituem ferramentas de enorme potencial para a gestão da água. As tecnologias baseadas em ambiente Web constituem uma solução eficaz para a operação remota de modelos hidrodinâmicos e de qualidade de água e para a consulta e actualização da informação de Sistemas de Informação Geográfica. Neste artigo apresentam-se as principais características de uma plataforma tecnológica vocacionada para o desenvolvimento de sistemas de suporte à decisão para a gestão da água. Esta plataforma inclui o Servidor Web Apache, o Servidor de Base de Dados MySQL, software específico de modelação hidrodinâmica e de qualidade da água e a tecnologia SVG de representação gráfica em ambiente Web. Apresentam-se exemplos de protótipos desenvolvidos nesta plataforma aplicados a modelos operacionais de rios, canais e albufeiras e interfaces de apresentação de informação georreferenciada em ambiente Web. Palavras-chave: hidroinformática, ambiente Web, modelos operacionais.

2 1 INTRODUÇÃO No conjunto dos países da União Europeia tem-se assistido a uma progressiva integração de políticas ambientais, constituindo a Directiva 2000/60/CE (Directiva-Quadro da Água - DQA) (UE, 2000), um instrumento de actuação extremamente ambicioso para a gestão da água, numa perspectiva de sustentabilidade ao nível da bacia hidrográfica. Neste contexto, a DQA assume particular relevância para a fundamentação da necessidade de harmonização de metodologias e compatibilização de estratégias a adoptar na gestão da água. Devido a vários factores de difícil previsão e conciliação, nomeadamente ao conflito de interesses na utilização da água, ao carácter aleatório dos fenómenos hidrológicos e às limitações de ordem técnica, económica e social, esta abordagem integrada constitui uma tarefa de enorme complexidade. A necessidade de abordagens integradas para a gestão de recursos hídricos é evidente. Assim como também é o aumento significativo das capacidades computacionais verificadas ao longo da última década. É neste contexto que podemos introduzir a importância da Hidroinformática no planeamento e gestão de recursos hídricos trata-se de um campo de estudo multidisciplinar que trata de temas ambientais, sociais e tecnológicos, utilizando as tecnologias de informação num sentido amplo, a fim de proporcionar uma melhor gestão dos recursos hídricos e ambientais. A Hidroinformática encoraja não apenas o foco nas novas tecnologias, mas também na sua aplicação em determinados contextos sociais (CIH, 2008). Actualmente, no processo de planeamento e gestão de meios hídricos, a reprodução consistente e simplificadora da realidade através de modelos matemáticos, tem-se revelado, na prática, bastante interessante. Na última década, modelos de simulação, modelos de optimização, modelos de decisão, sistemas de bases de dados e sistemas de informação geográfica (SIG) têm sido ferramentas largamente utilizadas, isoladamente, na investigação e na gestão de sistemas aquáticos. A integração coerente destas ferramentas informáticas constitui um Sistema de Suporte à Decisão (SSD), garantindo aos seus utilizadores um meio valioso para manuseamento de toda a informação necessária ao processo de decisão (Vieira, J.M.P., 1999; Vieira e Pinho, 2002). A gestão da água no âmbito da bacia hidrográfica, deve basear-se numa informação muito vasta que pode ser agrupada da seguinte forma: informação científica e técnica (abrangendo dados relativos ao sistema natural em estudo, nomeadamente físicos, químicos, biológicos e sócio-económicos); informação de gestão (relacionada com as disponibilidades financeiras, de recursos humanos e de programação de actividades); informação pública (responsável pelo fluxo de informação com as populações interessadas). A tarefa de tratamento desta informação, assume a forma de um problema de elevada dimensionalidade, que pressupõe a disponibilidade de meios eficientes para o processamento dos dados necessários ao estabelecimento de diferentes opções de planeamento e de gestão. A análise e a avaliação de diferentes estratégias podem ser realizadas através de esquemas relacionais estruturados e de um conjunto de modelos matemáticos adequados ao problema a equacionar. Uma solução informática capaz de dar resposta aos requisitos anteriores envolve um esforço de desenvolvimento muito elevado, pelo que se deverá procurar que as soluções adoptadas para cada uma das componentes dos SSD apresentem características de flexibilidade e robustez adequadas à sua implementação em diferentes bacias hidrográficas. As aplicações deverão ser desenvolvidas de forma a poderem ser partilhadas por um conjunto de utilizadores o mais alargado possível com níveis de exigência muito diferentes. As soluções adoptadas deverão ainda permitir explorar todas as potencialidades das ferramentas de modelação da hidrodinâmica e qualidade da água dos meios hídricos sem que a complexidade associada a este tipo de ferramentas inviabilize a sua aplicação por utilizadores menos familiarizados com este tipo de instrumentos de análise. Finalmente, considera-se que uma plataforma deste tipo deverá ser concebida de modo a conseguir-se uma fácil integração com outros recursos disponíveis para a gestão de meios hídricos o

3 que aconselha um ambiente de desenvolvimento aberto que permita uma fácil integração de módulos específicos de cada caso de aplicação. Neste artigo são abordadas as principais características de uma plataforma tecnológica, baseada em ambiente Web, desenvolvida no Laboratório de Hidráulica e Recursos Hídricos da Universidade do Minho, com o objectivo de apoiar a decisão na gestão da água em bacias hidrográficas. A plataforma inclui ferramentas para a exploração e gestão de informação georreferenciada, para a operação de modelos hidrológicos, hidrodinâmicos e de qualidade da água e para a análise de casos de gestão em rios, canais e albufeiras. Esta plataforma tem como estrutura principal, um servidor Web, um servidor de Base de Dados, software de modelação hidrodinâmica e de qualidade de água e ainda tecnologia de representação gráfica vectorial. 2 PLATAFORMA WEB A plataforma desenvolvida contém soluções para a implementação de três componentes principais dos sistemas de suporte à decisão para a gestão da água: informação, modelação e análise. Para o sistema de informação, a plataforma permite incorporar o sistema de informação geográfica, as bases de dados e os meios de difusão de informação. Para o sistema de modelação, a plataforma contém facilidades para a inclusão de modelos hidrológicos, hidrodinâmicos e de qualidade da água relativos a sistemas hídricos naturais e a sistemas de infra-estruturas. Este sistema possibilita não só, a operação remota dos modelos, como a visualização de resultados de simulações por diferentes utilizadores. No caso do sistema de análise, este é constituído por interfaces específicas dedicadas à análise, em diferentes cenários ambientais, do funcionamento dos meios hídricos (rios e albufeiras) e dos sistemas hidráulicos infra-estruturais, bem como na avaliação dos impactos associados a medidas de gestão equacionadas. Cada um destes sistemas é operado a partir de interfaces gráficas, especificamente desenvolvidas para o efeito, considerando o perfil definido para os seus utilizadores. O facto de ser uma plataforma desenvolvida em ambiente Web, tem ainda a vantagem de constituir uma solução eficaz quer na operação remota de modelos, quer na consulta e actualização de dados georreferenciados. Os seus utilizadores não ficam desta forma, limitados a um único espaço físico de trabalho, pois o acesso ao sistema de gestão é possível a partir de qualquer local, desde que ligado à grande rede que é a Internet. A plataforma é ainda provida pelos seguintes serviços complementares: gestão de utilizadores, gestão de documentos e gestão de dados de monitorização. O serviço de gestão de utilizadores permite condicionar o acesso a diferentes conteúdos temáticos, assim como as permissões para execução ou consulta de resultados de simulações. Com o serviço de gestão de documentos permitese a execução de tarefas simples de publicação, e ao mesmo tempo realizar upload e download de documentos de trabalho. O serviço de gestão de dados de monitorização disponibiliza funcionalidades de recolha de dados provenientes de estações hidrométricas e de qualidade da água automáticas ou convencionais instaladas na bacia hidrográfica, permitindo a sua análise e validação, integrando-os, posteriormente, em bases de dados projectadas especificamente para o efeito. O sistema assegura mecanismos de detecção de anomalias, bem como a manutenção de esquemas de resolução para algumas tipologias dessas ocorrências. No que diz respeito à base tecnológica sobre a qual assenta todo este sistema, ela é composta essencialmente por um servidor Web, um servidor de Base de Dados, software de modelação hidrodinâmica e de qualidade de água e ainda tecnologia de representação gráfica vectorial. A tecnologia de representação gráfica utilizada é o SVG - Scalable Vector Graphics (SVG, 2003), que é uma especificação XML para elementos gráficos (Figura 1).

4 Servidor Web Browser do Cliente BASE DE DADOS modelos Figura 1 Estrutura do sistema informático que serve de suporte à plataforma desenvolvida. A plataforma tem como suporte diversas tecnologias como PHP, HTML ou JavaScript. O PHP é a linguagem de programação utilizada para gerar o código HTML das páginas enviadas para o Cliente, enquanto o Javascript é a linguagem responsável basicamente pela interacção do cliente com a interface. A correcta estruturação, organização e carregamento da informação no servidor de Base de Dados constitui um requisito indispensável para o sucesso na aplicação de SSD a bacias hidrográficas. A grande quantidade de informação normalmente envolvida necessita de procedimentos automáticos de carregamento com rotinas de verificação e validação dos dados. O processo de actualização e disponibilização da informação também dependerá da forma como essa mesma informação é organizada. Na plataforma desenvolvida estão previstos dois tipos de servidores de Bases de Dados: o servidor MySQL e o servidor Oracle. Todas as aplicações e respectivas interfaces foram desenvolvidas para ambiente Web pelo que é também indispensável a existência de um serviço de alojamento de páginas e aplicações. Foram previstos e testados dois tipos de servidores Web alternativos: o servidor Apache e o servidor IIS. A apresentação de mapas e outros tipos de elementos gráficos nas interfaces foram considerados aspectos fundamentais para uma rápida e intuitiva apreensão do seu respectivo funcionamento. Neste caso, optou-se pela tecnologia SVG, que tem como características mais relevantes: a possibilidade de realizar ampliações sem perda de resolução; a criação de animações gráficas que facilitam a apresentação de resultados associados a simulações dinâmicas; a interactividade permitida com os objectos representados e a possibilidade de associação de informação alfanumérica aos elementos gráficos; o tempo de transferência reduzido que este tipo de imagens tem, comparativamente com outros tipos de imagens mais convencionais (GIF, JPEG, PNG, ). Nas Figuras 2 e 3 apresentam-se exemplos de elementos gráficos criados com a tecnologia SVG e que estão incorporados na plataforma desenvolvida.

5 Figura 2 Vista de informação georreferenciada em ambiente Web, com recurso à tecnologia SVG. Figura 3 Tecnologia SVG utilizada na animação do nível de água num canal. 2.1 Aplicações para o Sistema de Informação As aplicações desenvolvidas para o Sistema de Informação permitem a visualização de informação georreferenciada, estando essa informação armazenada no servidor de Base de Dados. É possível aceder não só a vistas detalhadas da rede fluvial, como ao sistema de gestão de dados de monitorização. Na Figura 4 apresenta-se uma vista gerada com a aplicação desenvolvida, que disponibiliza informação detalhada da rede fluvial da bacia hidrográfica do rio Ave. Com esta aplicação é possível não só identificar, sobre ortofotomapas e limites administrativos (freguesias), o eixo das linhas de água e respectivas margens, como a localização de infra-estruturas relevantes: captações, descargas de águas residuais, barragens, açudes, construções ribeirinhas, edifícios industriais e estações de monitorização. Para cada uma das estruturas assinaladas é possível consultar a informação associada existente na Base de Dados.

6 Figura 4 Apresentação de informação detalhada da rede fluvial do rio Ave. O fácil acesso a informação georreferenciada é sempre fundamental em qualquer ferramenta de SSD. Na plataforma criada, a interface para disponibilização de informação georreferenciada (Figura 5) apresenta as seguintes funcionalidades: apresentação de temas do tipo ponto, linha ou polígono; possibilidade de navegação sobre o mapa; colocação manual ou automática de etiquetas para cada tema; formatação da legenda e classificação da informação; apresentação da informação associada a cada tema em forma de tabela ou gráfico; e ferramentas de pesquisa. Adicionalmente é ainda possível proceder à exportação da informação representada para um formato passível de ser visualizado na aplicação GoogleEarth (GE, 2007). Figura 5 Interface para consulta de SIG e respectiva exportação para GoogleEarth. 2.2 Aplicações para o Sistema de Modelação As interfaces de modelação para a gestão da água em bacias hidrográficas devem considerar, necessariamente, a inclusão de diferentes tipos de modelos: hidrológicos, hidrodinâmicos e de qualidade da água. Estes modelos podem apoiar-se em diferentes tipos de software, que deverão ser seleccionados após uma avaliação criteriosa das diferentes opções disponíveis em cada caso de implementação. A plataforma desenvolvida e aqui apresentada, contempla diferentes opções de software para a modelação da hidrodinâmica e da qualidade da água. No caso dos modelos hidrológicos e unidimensionais foi seleccionado o programa SOBEK (WL, 2005), enquanto para os

7 modelos bidimensionais no plano horizontal a escolha recaiu sobre os programas RMA2 e RMA4 (WES-HL, 1996 e 2000). A modelação dos escoamentos com superfície livre na rede fluvial e albufeiras é baseada em formulações unidimensionais (programa SOBEK) e bidimensionais (programa RMA2) das equações de continuidade e de conservação da quantidade de movimento. Os modelos de qualidade da água envolvem a resolução de um sistema de equações de transporte de massa em conformidade com os processos de qualidade da água modelados. É possível a análise de problemas que envolvam variáveis microbiológicas, matéria orgânica, nutrientes, produção primária, entre outros. Na Figura 6 apresenta-se a vista principal da aplicação que permite trabalhar com as ferramentas de simulação unidimensionais. A aplicação permite não só fornecer os dados necessários para a execução do modelo, como também a visualização dos resultados finais. Apresenta diversas funcionalidades: visualização gráfica das linhas de água em perfil e em planta; consulta de resultados em tabelas e gráficos; e visualização de animações associadas a simulações dinâmicas. A informação disponibilizada (resultante ou não da execução do modelo) é armazenada em bases de dados ou em ficheiros do disco rígido do servidor. A janela principal da interface correspondente à visualização gráfica do perfil e tem uma série de ícones que permitem visualizar os resultados em diferentes formatos. Além disso, alguns dos ícones permitem especificar dados de entrada do modelo que o utilizador remoto poderá alterar (Figura 7). Estes dados de entrada poderão ser caudais/níveis de água em nós de fronteira, leis de abertura de comportas, descargas acidentais de substâncias poluentes, duração da simulação, etc. A visualização gráfica da planta está directamente relacionada com a visualização gráfica do perfil, fazendo coincidir o instante representado na imagem da planta com o representado no perfil. A imagem correspondente à planta tem como principal objectivo permitir ao utilizador localizar e conhecer os valores dos resultados da simulação verificados num dado nó ou trecho da linha de água. Para tal, basta mover o cursor ao longo da linha de água e, sempre que ele esteja posicionado sobre um nó ou trecho, é disponibilizada uma pequena janela com os resultados associados ao elemento gráfico pretendido. Seleccionando esse nó ou trecho, é ainda possível comparar os valores aí verificados com os de outros elementos. Figura 6 Vista principal da interface para operação de modelos unidimensionais. Caso da bacia hidrográfica do rio Cávado.

8 Figura 7 Janelas para especificação de dados de entrada. Caso da bacia hidrográfica do rio Cávado. Na Figura 8 apresenta-se a vista principal da interface desenvolvida para implementação de modelos operacionais bidimensionais. Neste caso, a vista é preenchida por uma representação em planta da malha de elementos finitos, sendo possível a visualização dos valores médios de campos escalares (resultados de simulações hidrodinâmicas ou de qualidade da água) e campos vectoriais (velocidades no caso de simulações hidrodinâmicas). É ainda possível consultar os resultados obtidos sob a forma de gráfico ou tabela para cada um dos pontos nodais da malha de elementos finitos, utilizada na discretização espacial do domínio modelado. Adicionalmente, existe também a possibilidade de analisar os resultados segundo alinhamentos previamente definidos, quer para cada um dos instantes simulados, quer através de uma animação que abrange a totalidade do intervalo temporal simulado. Figura 8 Vista principal e janelas de vista em perfil da interface de modelação bidimensional. Caso do Empreendimento de Fins Múltiplos de Alqueva Albufeira de Alvito.

9 São ainda contempladas funcionalidades que permitem estabelecer novos valores (valores fixos ou variáveis ao longo do tempo) para as condições de fronteira do modelo, permitindo-se também, accionar remotamente a sua execução. Além dos modelos hidrodinâmicos e de qualidade da água aqui referidos e ilustrados, também outros tipos de modelos poderão/deverão fazer parte do Sistema de Modelação, como é o caso dos modelos hidrológicos. Apenas por simplificação, foram os primeiros aqui referidos, a título de exemplo. 2.3 Aplicações para o Sistema de Análise Após a descrição qualitativa do SSD torna-se necessário assegurar o seu efectivo desempenho, pormenorizando as formas de integração e de interligação, aos diversos níveis, de modelos e dados, bem como a forma de inserir cenários e medidas no funcionamento interno do SSD. Isto significa que os objectivos de gestão devem ser respondidos à escala apropriada, devendo proceder-se à identificação e rápida solução de eventuais lacunas de informação e de modelação que venham a revelar-se. Os sistemas de informação e de modelação, per se, são utilizados para a exploração de informação e simulação de funcionamento das infra-estruturas sem um enquadramento prévio nos problemas de gestão, nos cenários e sem a consideração de medidas de gestão a adoptar. Este enquadramento pode ser realizado no Sistema de Análise. A partir da selecção do problema de gestão, da definição do cenário em que se procede à sua análise e considerando eventuais medidas operacionais, são estabelecidos valores de referência para as acções ou variáveis de estado a considerar em cada um dos modelos de simulação dos sistemas naturais e infra-estruturais. Na concepção do Sistema de Análise estão envolvidos diversos conceitos: problema de gestão (condicionantes ao cumprimento dos objectivos estabelecidos para o funcionamento das infraestruturas); cenário (conjunto de valores de variáveis com influência no problema em análise determinados por factores externos não controláveis para a generalidade das situações); medida de gestão (acção antrópica, traduzida por um conjunto de variáveis associadas ao funcionamento das infra-estruturas ou sistemas naturais, que apresentem uma influência relevante para o problema de gestão analisado); âmbito espacial do problema (extensão de território ou massa de água em que é analisado um determinado problema de gestão); e caso de gestão (conjunto de situações de funcionamento de infra-estruturas/sistemas naturais enquadrada por cenários e/ou medidas de gestão). Figura 9 Interface do Sistema de Análise (níveis de albufeiras). Caso do Empreendimento de Fins Múltiplos de Alqueva.

10 Na Figura 9 apresenta-se a vista principal de uma das várias interfaces de suporte ao Sistema de Análise do caso de estudo relativo ao Empreendimento de Fins Múltiplos de Alqueva (neste caso, o problema de gestão são os níveis de água nas albufeiras). Nesta interface é possível partir de um determinado cenário (ano seco ou húmido, por exemplo), especificar as medidas de gestão (alteração de bombagem, descargas ou abertura de comportas) e proceder à execução do modelo para essas condições. Os resultados da execução permitem observar o comportamento dos níveis de água ao longo do tempo, em cada uma das albufeiras que compõem o âmbito espacial. É também possível a consulta de resultados de simulações já realizadas anteriormente, que permitem comparar valores verificados em diferentes condições. Os resultados podem ser analisados não só sob a forma de tabelas ou gráficos, mas também através de animações que abrangem a totalidade do intervalo temporal simulado (Figura 10). Figura 10 Animação dos diferentes níveis de água no âmbito espacial do problema. Caso do Empreendimento de Fins Múltiplos de Alqueva. 3 CONCLUSÃO Foram apresentadas as principais características de uma plataforma tecnológica inovadora, baseada em ambiente Web que permite a implementação de SSD para a gestão de recursos hídricos em bacias hidrográficas. Esta plataforma foi aplicada, com sucesso, em três bacias hidrográficas portuguesas: rio Guadiana, do rio Ave e rio Cávado. A solução desenvolvida alia a simplicidade de manuseamento para a generalidade dos utilizadores de sistemas informáticos, característica dos ambientes Web, às enormes potencialidades das ferramentas de modelação da hidrodinâmica e da qualidade da água. Sendo os aspectos fundamentais de construção dos modelos garantidos por especialistas neste domínio, as ferramentas desenvolvidas permitem disponibilizar para um público mais abrangente, de forma atractiva, as potencialidades da modelação num compromisso equilibrado entre a robustez e fiabilidade dos resultados a obter e a facilidade de utilização de SSD. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Empresa de Desenvolvimento e Infra-estruturas do Alqueva, S.A., à Comissão de Coordenação e Desenvolvimento Regional do Norte, à Águas do Ave, SA e à Águas do Cávado, SA o apoio financeiro concedido para o desenvolvimento de soluções informáticas inovadoras e úteis para o suporte à decisão nas actividades de planeamento e gestão dos recursos hídricos em bacias hidrográficas portuguesas.

11 BIBLIOGRAFIA UE (2000) Directiva 2000/60/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 23 de Outubro de 2000, que estabelece um Quadro de Acção Comunitária no Domínio da Política da Água, Jornal Oficial das Comunidades Europeias, L327, , pp VIEIRA, J.M.P (1999) Decision Support Systems for Water Resources Planning and Management, in VII International Conference on Enhancement and Promotion of Computational Methods in Engineering and Science, (Edited by Bento J., Oliveira E.A. and Pereira E.), 2, pp Elsevier Science Ltd, Oxford, UK. VIEIRA, J.M.P., PINHO, J.L.S. (2002) Decision Support Systems for Water Resources Management in Coastal Zones, in 3rd World Congress of the International Water Association (IWA), Melbourne, Australia. WES-HL (1996) Users Guide To RMA2 Version 4.3, US Army Corps of Engineers - Waterways Experiment Station Hydraulics Laboratory, Vicksburg, USA. WES-HL (2000) Users Guide To RMA4 WES Version 4.5, US Army Corps of Engineers - Waterways Experiment Station Hydraulics Laboratory, Vicksburg, USA. WL (2005) SOBEK Reference Manual. Delft Hydraulics, Netherlands. CIH (2008) GE (2007) SVG (2003)