Sobre o SisBaHiA®

 

O SisBaHiA® – Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental é um sistema profissional de modelos computacionais registrado em nome do COPPE/UFRJ - Instituto Aberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia (COPPE) da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), pela Fundação Coppetec, órgão gestor de convênios e contratos de pesquisa do COPPE/UFRJ.

 

Novas versões do SisBaHiA® têm sido continuamente implementadas no COPPE/UFRJ desde 1987, com ampliações de escopo e aperfeiçoamentos feitos através de várias teses de mestrado e doutorado, além de projetos de pesquisa. O sistema já foi adotado em centenas de estudos e projetos contratados com a Fundação Coppetec e com outras instituições e empresas no Brasil e no exterior, envolvendo modelagem de corpos de água naturais. Maiores detalhes técnicos sobre o SisBaHiA® podem ser obtidos em consulta à documentação de Referência Técnica, clicando ao lado nesta página. Veja também a publicação Um Sistema Computacional de Hidrodinâmica Ambiental – Capítulo 1 (pp 1-161) do livro Métodos Numéricos em Recursos Hídricos 5, publicado em Novembro de 2001 pela Associação Brasileira de Recursos Hídricos. Em linhas gerais, na versão atual, o SisBaHiA® contém:

1.      Modelagem Digital do Terreno: no módulo Malhas e Domínios de Modelagem há muitas ferramentas para modelagem digital do terreno de interesse. Na tela “Visualiza” há ferramentas diversas para importar mapas e linhas de contorno de terra e de água, definir contornos de modelagem, gerar e editar malhas de elementos finitos triangulares e quadrangulares, ou combinados. O SisBaHiA® opera com coordenadas geográficas, longitudes e latitudes em graus decimais, ou métricas como UTM, opera também com coordenadas métricas gerais. Há várias facilidades implementadas para interpolação de batimetria e dados de rugosidade equivalente do fundo, etc.

2.      Modelos Hidrodinâmicos: são modelos de circulação hidrodinâmica 3D ou promediados na vertical (2DH) otimizados para corpos de água naturais. Resultados podem ser tanto 3D quanto 2DH, dependendo dos dados de entrada. Otimizado é usado no sentido de um modelo planejado para ótima representação de escoamentos em domínios naturais com geometria complexa via discretização espacial com elementos finitos quadráticos e transformação s. Processos de calibração são minimizados devido a fatores como: campos de vento e fator de atrito do fundo podendo variar dinamicamente no tempo e no espaço e modelagem de turbulência multi-escala baseada em Simulação de Grandes Vórtices (LES). Na modelagem hidrodinâmica, pode-se incluir efeitos de ondas geradas por ventos locais e de ondas propagadas de zonas de geração remotas, além de efeitos de gradientes de densidade acoplando modelos de transporte de sal e calor dos Modelos de Qualidade de Água, vide abaixo. Pode-se também incluir evolução morfológica do fundo, com acoplamento de Modelo de Transporte de Sedimentos coesivos e não-coesivos descritos abaixo. Permite análises determinísticas e estatísticas nos resultados obtidos.

3.      Modelos de Qualidade de Água e Eutrofização: trata-se de um conjunto de modelos de transporte Euleriano, para simulação acoplada de até 11 parâmetros de qualidade de água e indicadores de eutrofização: sal, temperatura, OD-DBO, nutrientes compostos de nitrogênio e de fósforo e biomassa. Tais modelos podem ser aplicados para escoamentos 2DH, ou em camadas selecionadas de escoamentos 3D. Permite análises determinísticas e estatísticas nos resultados obtidos.

4.      Modelos de Transporte de Sedimentos Coesivos e Não-Coesivos e Evolução Morfológica do Fundo: trata-se de modelos que computam transporte de sedimentos e taxas de erosão e sedimentação no fundo. O usuário pode prescrever curvas granulométricas e estoques de sedimentos erodíveis diferentes em qualquer ponto da região modelada. Pode funcionar dinamicamente acoplado a um modelo hidrodinâmico, permitindo assim realizar estudos de evolução morfológica de fundo. Se os modelos hidrodinâmicos estiverem acoplados a efeitos de ondas, pode-se modelar adequadamente processos sedimentológicos com efeitos de ondas e correntes, inclusive na zona de arrebentação. Para sedimentos não-coesivos, o modelo permite múltiplas opções de formulações de transporte, tais como Van Rijn (2007), Engelund-Hansen e Ackers & Whit para transporte total, e de Van Rijn (1984), Mayer-Peter Muller, Madsen, Nielsen e Yalin para transporte de fundo. Outras formulações podem ser incluídas. Todas as fórmulas podem ter parâmetros calibrados pelo usuário. Pode funcionar também de modo desacoplado, apenas para estimação de vazões sólidas. Permite análises determinísticas e estatísticas nos resultados obtidos.

5.      Modelos de Transporte Euleriano: são modelos de uso geral para simulação de transporte advectivo-difusivo com reações cinéticas de escalares dissolvidos ou partículas em suspensão na massa d’água. Os modelos podem ser aplicados a escoamentos 2DH, ou em camadas selecionadas de escoamentos 3D. Permitem a utilização de praticamente qualquer tipo de reação cinética de decaimento ou produção do contaminante sendo modelado, inclusive através de curvas de decaimento fornecidas através de tabelas e valores. Pode-se também simular processos de perda ou ganho de massa por sedimentação e erosão. Permite análises de taxas de renovação  e de idade da água (tempos de residência). Permite análises determinísticas e estatísticas nos resultados obtidos.

6.      Modelo de Transporte Lagrangeano - Determinístico: é um modelo de uso geral para simulação de transporte advectivo-difusivo com reações cinéticas, para camadas selecionadas de escoamentos 3D ou 2DH. Este modelo é especialmente adequado para simulações de vários tipos de problemas, por exemplo:

* Plumas de emissários ou pontos de lançamento de efluentes ao longo da costa. Permite a simulação de plumas de esgoto com vazões variáveis e taxas de decaimento (T90) variáveis de acordo com época do ano, horas do dia, condições de cobertura de nuvens, etc.

* Derrames de óleo, instantâneos ou por período definido. No caso o modelo pode seguir as mesmas curvas de balanço de massa do ADIOS2, e pode incluir efeitos da dinâmica de Fay na fase inicial do derrame. Pode-se simular efeito de barreiras de contenção e remoção por sugadores.

* Mistura de massas de água, tempos de troca e renovação de massas de água entre diferentes setores de um corpo de água.

* Transporte de detritos flutuantes, inclusive óleos e graxas.

* Determinação de tempos de residência em corpos de água naturais, permitindo obter mapas de isolinhas de tempos de residência em diferentes setores de corpos de água com geometria complexa. Trata-se de opção alternativa à modelagem de Idade da Água disponível no Modelo de Transporte Euleriano.

* Determinação de tendências de deriva de sedimentos, substâncias dissolvidas ou particulados flutuantes.

* Determinação de correntes residuais lagrangeanas.

* Estudos de dragagens, com determinação de plumas no sítio de dragagem e em locais de bota fora.

* Determinação de massa e altura de material sedimentado, por exemplo, em bota fora de dragagens.

* O modelo permite optar por transporte livre ou condicionado. Modelagens com transporte condicionado são especialmente úteis em análises de processos sedimentológicos. O transporte pode ser condicionado por valores mínimos de velocidade, ou de tensão no fundo exercida só por correntes, ou de tensão no fundo exercida conjuntamente por ondas e correntes.

* O Modelo Lagrangeano permite a utilização de praticamente qualquer tipo de reação cinética de decaimento ou produção do contaminante sendo modelado, inclusive através de curvas de decaimento fornecidas através de tabelas e valores. Pode-se também simular processos de perda de massa por sedimentação.

7.      Modelo de Transporte Lagrangeano - Probabilístico: acoplado ao modelo anterior, permite obtenção de resultados probabilísticos computados a partir de N eventos ou de resultados ao longo de um período de tempo T. Exemplos de resultados: probabilidade de toque no litoral, probabilidade de passagem (ou de visita) de manchas ou plumas contaminante, probabilidade de passagem de manchas ou plumas com concentração acima de um valor limite, probabilidade de passagem com tempo de vida inferior a um limite dado, etc.

8.      Modelo de Campo Próximo para Emissários e Fontes Pontuais: este módulo está inserido no bloco de Modelo de Transporte Lagrangeano e funciona dinamicamente acoplado a um modelo hidrodinâmico. O modelo considera as características geométricas de linhas difusoras, perfis verticais variáveis de densidade no meio receptor, turbidez variável da água no cálculo da incidência de radiação solar. A radiação solar é computada em função da latitude e longitude da localidade, variando a partir da data e hora de início da simulação, com variação de cobertura de nuvem, etc. No caso de análises de balneabilidade, aceita diferentes tipos de bactéria, tais como coliformes termo tolerantes, escherichia colli e enterococcus, além de curvas de decaimento prescritas pelo usuário.

9.      Modelo de Geração de Ondas: é um modelo para geração de ondas por campos de vento permanentes ou variáveis. O modelo determina se a geração de ondas será limitada pela pista ou pela duração do vento. O modelo permite calcular, ao longo do tempo, a distribuição espacial no domínio de parâmetros do clima de ondas gerado tais como: alturas significativas e médias quadráticas, períodos de pico, tensões oscilatórias no fundo devido a ondas, etc.

10.    Modelo de Propagação de Ondas: trata-se de um programa de propagação de ondas monocromáticas, ou espectros de ondas, com efeitos de refração, difração, dissipação e arrebentação. O programa implementado no SisBaHiA® é similar ao conhecido refdif.

11.    Módulo de Análise & Previsão de Marés: através deste módulo pode-se realizar análises harmônicas de registros de níveis ou correntes para obtenção das constantes. Com o módulo de Previsão, fornecendo as constantes harmônicas de níveis ou de correntes, faz-se previsões de valores em séries temporais a intervalos definidos pelo usuários, bem como de séries de máximos e mínimos entre uma data inicial e uma final especificadas pelo usuário. Os algoritmos de Análise e Previsão adotados são os mesmos empregados pelo The Global Sea Level Observing System (GLOSS), que é um projeto internacional patrocinado pela Joint Technical Commission for Oceanography and Marine Meteorology (JCOMM), World Meteorological Organisation (WMO) e pela Intergovernmental Oceanographic Commission (IOC).

12.    Ferramentas diversas - tais como:

* Gerente de Animações: produz animações mostrando os resultados em forma dinâmica de todos os modelos.

* Inquiridor de banco de dados: para buscar informações na base de dados dos modelos desenvolvidos através de ferramenta de consulta, integrada na interface, programável em SQL.

* Conversor de tempo entre dados: a partir de uma série temporal com dados em intervalos diversos, produz outra série com dados em intervalo T definido pelo usuário.

* Cópia de malhas e modelos, mudança de escala, etc.

13.    Interface de trabalho: Todos os modelos são integrados em uma interface de trabalho amigável, com ajuda contextual em todos os campos. Inúmeros tipos de saídas gráficas, inclusive animações, podem ser geradas, mesmo com modelos ainda rodando. Várias funcionalidades para geração edição de malha são disponíveis na interface. A interface interage diretamente com os seguintes programas comerciais:

a.      Grapher e Surfer são programas comerciais usados pelo SisBaHiA® para pré e pós processamento, como interpolação de dados e apresentação de resultados em gráficos e mapas. Tais programas são os mais usados no mundo em aplicações geofísicas. O SisBaHiA® funciona sem estes programas, mas se estiverem instalados, o usuário terá muitas facilidades, pois há inúmeras funcionalidades que usam o Surfer e o Grapher. Além disso, são programas extremamente versáteis que permitem vasta quantidade de análises em pós-processamento. O SisBaHiA® funciona melhor com as últimas versões, as anteriores também funcionam, mas podem ocorrer incompatibilidades em algumas funcionalidades com versões mais antigas. Em www.goldensoftware.com pode-se obter maiores detalhes sobre o Grapher e o Surfer, baixar versões teste (trial), que funcionam por prazo limitado, ou assinar versões acadêmicas por custo bem reduzido.

b.     Geradores de malha alternativos: O SisBaHiA® tem seus próprios gerador e editor de malhas incorporados na interface, veja item 1 – Modelagem Digital do Terreno na lista acima. Por isso, não é necessário usar outros programas de geração de malha. Entretanto, se o usuário preferir, pode usar outros geradores de malha. Por exemplo, o Argus One, programa para geração e edição de malhas de elementos finitos diretamente importáveis pelo SisBaHiA®. Para detalhes sobre o Argus One acesse www.argusone.com, onde pode-se adquirir o programa e baixar versão demo que funciona com limitações. O gerador de malhas do SisBaHiA®  usa partes do programa de código livre GMesh, v. http://gmsh.info/.

14.    Manual de uso: O SisBaHiA® dispõe de um detalhado manual de uso, mostrando passo a passo como implementar malhas e modelos. O manual está continuamente sendo ampliado, e pode ser consultado diretamente pela Internet, basta clicar em Manual aí ao lado.

 

Os modelos e a interface do SisBaHiA®, com todas as ferramentas exceto Surfer e Grapher, são cedidos gratuitamente pelo COPPE/UFRJ através da Fundação Coppetec. Para baixar e instalar o sistema, siga as dicas no tópico “Instalação, Treinamento e Suporte ao lado.

 

Atributos do SisBaHiA®

O Sistema Base de Hidrodinâmica Ambiental - SisBaHiA® possui atributos para minimizar o processo de calibração e consequentemente maximizar a confiabilidade dos resultados. Alguns dos atributos do sistema são:

1.      As estratégias de discretização espacial são otimizadas para corpos de água naturais, pois permitem ótimo detalhamento de contornos recortados e batimetrias complexas. A discretização espacial é preferencialmente feita via elementos finitos quadrangulares biquadráticos, mas pode igualmente ser feita via elementos finitos triangulares quadráticos ou combinação de ambos. Tal método de discretização espacial é potencialmente de quarta ordem. Em simulações de escoamentos tridimensionais, a discretização vertical da coluna de água usa diferenças finitas com transformação sigma, de sorte que a discretização completa do domínio resulta em uma pilha de malhas de elementos finitos, uma para cada nível Z da transformação sigma.

2.      Tensões e difusividades turbulentas são modeladas de uma maneira que torne a calibragem dos modelos diretamente relacionada a variáveis naturais. O emprego de esquemas auto ajustáveis para a turbulência em escala sub-malha minimiza a necessidade de calibragem. A modelagem da turbulência é baseada em técnicas de filtragem que levam à simulação de grandes vórtices, ou vórtices resolvíveis. Tal técnica é conhecida na literatura internacional como LES, sigla de Large Eddy Simulation, e é considerada estado da arte para modelagem de turbulência em escoamentos geofísicos de grande escala.

3.      O modelo hidrodinâmico admite especificação pontual do tipo de material de fundo. Com elementos quadrangulares obtêm-se interpolação biquadrática para valores de profundidade e rugosidade equivalente do fundo, se os elementos forem triangulares a interpolação é quadrática. Em ambos os casos, tal estratégia de discretização permite ótima acurácia na representação física do leito.

4.      Além disso permite que a ação do vento na superfície livre e que o atrito no fundo sejam variáveis no tempo e no espaço. Tal realismo é muito relevante para simulações de escoamentos em regiões costeiras, baias, estuários, rios e lagoas. Com a fidelidade conseguida no mapeamento da batimetria e contornos, bem como das tensões de vento e atrito no fundo, a coerência entre resultados medidos e modelados é naturalmente maximizada, diminuindo a necessidade e minimizando o processo de calibração.

5.      O modelo hidrodinâmico do SisBaHiA é capaz de calcular tanto campos de velocidades tridimensionais, 3D, obtendo os perfis de velocidade ao longo da profundidade, como de dar os resultados em forma de campos de correntes promediadas na vertical, 2DH. Isso é uma enorme vantagem pois em corpos de água onde a ação dos ventos seja relevante, ocorrem padrões de circulação superficial significativamente diferentes dos padrões médios na vertical.

6.      Os modelos são baseados em esquemas numéricos bem estabelecidos, para garantia de validade e aceitação.

 

Em função dos atributos acima, e garantindo-se as condições expostas abaixo, o emprego do SisBaHiA® em muitos trabalhos ensina que, atendendo as condições a seguir, mesmo sem calibração, os resultados obtidos pelos modelos apresentam a seguinte confiabilidade:

*  Coerências entre a geometria e batimetria da área física de interesse e a modelada podem passar facilmente de 95%, dependendo apenas do nível de detalhamento desejado pelo usuário.

*  Coerências entre valores reais e valores computados de níveis de água são em geral melhores que 90%. Após calibração é usual que sejam superiores a 95%.

*  Coerências entre valores reais e valores computados de velocidade e direção de correntes são usualmente melhores que 70%. Após calibração é comum ter-se coerências superiores a 90%.

*  Coerências entre valores reais e valores medidos de concentração de contaminantes ou parâmetros de qualidade de água são semelhantes às verificadas para velocidade e direção de correntes. Como os modelos de transporte de contaminantes recebem como dados de entradas os resultados de níveis e correntes dos modelos hidrodinâmicos, a confiabilidade dos modelos de transporte é intrinsecamente função da qualidade dos resultados hidrodinâmicos.

Para atingir tais coerências é necessário atender às seguintes condições:

1.      Garantir que a geometria do corpo de água implementada no sistema de modelos esteja correta, e seja condizente com a existente na época de medição de níveis e correntes. Discrepâncias em dados de batimetria e contornos são frequentes causas de diferenças entre valores medidos e valores computados.

2.      Garantir que os forçantes dos escoamentos, e.g. curvas de maré, ventos e vazões fluviais, estejam corretamente implementados no sistema de modelos, e sejam condizentes com os existentes na época de medição de níveis e correntes. Erros na especificação dos forçantes dos escoamentos são frequentes causas de diferenças entre valores medidos e valores computados.

3.      Garantir que as intensidades das fontes contaminantes e os parâmetros das reações cinéticas tenham sido corretamente fornecidos ao sistema de modelos, e sejam condizentes com os existentes na época de medição de concentrações. Erros na especificação de intensidades de fontes e parâmetros de reações cinéticas são frequentes causas de diferenças entre valores medidos e valores computados.