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Calibração Inversa de um Modelo de Fluxo de Água Subterrânea para o Sistema Aquífero Almádena-Odeáxere (Algarve – Portugal)

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Published on December 28, 2007

Author: joaoambiente

Source: slideshare.net

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MSc Thesis Environmental Engineering Mestrado Tese Engenharia do Ambiente

Calibração Inversa de um Modelo de Fluxo de Água Subterrânea para o Sistema Aquífero Almádena-Odeáxere (Algarve – Portugal)
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Inverse Calibration of a Groundwater Flow Model for the Almádena-Odeáxere Aquifer System (Algarve – Portugal) João Martins Calibração Inversa de um Modelo de Fluxo de Água Subterrânea para o Sistema Aquífero Almádena-Odeáxere (Algarve – Portugal) UNIVERSIDADE DO ALGARVE - FCMA Mestrado em Engenharia do Ambiente Modelação Ambiental

Área de estudo Área = 63,5 km 2 Aquífero Cársico

Abundância de Formações Jurássicas Porosidade Dupla Almeida et al (2000)

Objectivos Redes de monitorização instaladas no âmbito do projecto “POCTI/AMB/57432/2004” Endereço: cvrm.ualg.pt Calibração e validação de um modelo em elementos finitos Melhorar a caracterização da distribuição espacial dos parâmetros hidráulicos que controlam o fluxo de água no sistema aquífero Articulação

- geometria do domínio de escoamento quantificação de entradas e saídas (balanço hídrico) definição de condições de fronteira (relações do modelo com a região circundante) distribuição espacial e evolução temporal de variáveis de estado parâmetros hidráulicos Modelos de parâmetros distribuídos A sua aplicação exige a recolha de informação aos níveis de:

- geometria do domínio de escoamento

quantificação de entradas e saídas (balanço hídrico)

definição de condições de fronteira (relações do modelo com a região circundante)

distribuição espacial e evolução temporal de variáveis de estado

parâmetros hidráulicos

Balanço Hídrico (Recarga) A capacidade de infiltração de cada classe litológica aflorante do aquífero foi definida de acordo com os trabalhos de REIS (1993) e ALMEIDA et al. (2000). Estes autores apontam uma capacidade de infiltração entre 40 % e 60 % do valor de precipitação para as formações jurássicas Estas taxas de infiltração foram aplicadas no modelo implementado, tendo em conta a distribuição espacial das litologias aflorantes, usufruindo da flexibilidade espacial do modelo. A fiabilidade das estimativas de recarga foi ainda aumentada, relativamente às estimativas pré-existentes devido à utilização de mapas de precipitação com resolução espacial muito superior aos disponíveis anteriormente (polígonos de Thiessen e isoietas). No caso deste sistema aquífero, a estimativa de escoamento anual médio é 16,6  10 6 m 3 /ano

Balanço Hídrico (Recarga)

Vieira & Monteiro (2003) As áreas naturais de descarga mais importantes são a ribeira de Bensafrim e uma zona denominada Boca do rio, situada no limite SW do aquífero. Balanço Hídrico (Descarga)

Balanço Hídrico (Descarga)

Estimativas de uso de água para: Captações de abastecimento público Captações para irrigação e abastecimento privado Balanço Hídrico (Evolução do uso da água) CM Lagos/Águas do Algarve, S.A. Câmara Municipal de Lagos Câmara Municipal de V. Bispo

Balanço Hídrico (Evolução do uso da água)

Défice Hidríco ? Balanço Hídrico 40%<40,3% <60% Média

Análise da evolução histórica dos dados de piezometria Dados históricos existentes - recolhidos com sondas manuais

Seca 2004/2005 Baixa Transmissividade? Zona com fraca conecção ao resto do aquífero

Execução de mapas de isolinhas de potencial hidráulico Saídas inesperadas Elevado grau de independência entre a morfologia do terreno e a piezometria. Controlo regional do padrão de escoamento por condutas

Formações mais impermeáveis

Execução de mapas de isolinhas de potencial hidráulico Saídas inesperadas Discrepância entre cotas e piezometria Hierarquização de condutas Necessidade de obter dados para mais pontos, com intervalos de medição menos espaçados

 

 

em que: Kxx , Kyy, Kzz condutividade hidráulica [ LT -1 ] h potencial hidráulico [ L ], Q é um fluxo volumétrico por unidade de volume [ L 3 T -1 L -3 ] (perdas e ganhos de fluido) S s armazenamento específico [ L -1] (apenas para simulação das variações transitórias do volume armazenado) Densidade constante Meio poroso saturado Lei de Darcy (conservação do momento) Equação da continuidade (lei de conservação da massa do fluido) Eq. Dif. em Derivadas Parciais - Escoamento de água subterrânea Modelação do escoamento

em que:

Kxx , Kyy, Kzz condutividade hidráulica [ LT -1 ]

h potencial hidráulico [ L ],

Q é um fluxo volumétrico por unidade de volume [ L 3 T -1 L -3 ] (perdas e ganhos de fluido)

S s armazenamento específico [ L -1] (apenas para simulação das variações transitórias do volume armazenado)

M Entradas i Saídas o Parâmetros p x descreve a configuração do sistema Funcionamento de um modelo o = M (x,p,i)

M p 1 p 2 Simulação Saídas do modelo o 1 q 1 o 2 q 2 o 3 q 3 etc O modelo Saídas do modelo para as quais existem medições comparáveis no terreno: Medições de campo

M Entradas i Medições q Parâmetros p x descreve a configuração do sistema O problema inverso p, i = M -1 (x,q)

M Entradas i Medições q Parâmetros p x descreve a configuração do sistema O problema inverso p= M -1 (x,i,q)

p 1 p 2 Estimativas Iniciais de Parâmetros Parâmetros Optimos A cada iteração o valor da função objectivo aproxima-se do mínimo Valor dos parâmetros Função Objectivo Mínimo

Não são só as condições de calibração que podem condicionar os valores dos parâmetros Qualquer conjunto de parâmetros dentro da área a verde poderá calibrar o modelo. Na maioria dos casos, há condicionantes físicas e de conhecimento que impõem barreiras realistas aos parâmetros. Vecchia & Cooley (1987)

Modelo implementado Rede de elementos finitos Monteiro et al. (2005)

Modelo implementado Condições-fronteira Rede de elementos finitos Recarga Boca do Rio/Rib. de Vale Barão Rib. Bensafrim Zonas efluentes das ribeiras

 

Simulações (Transmissividade Homogénea) T homogénea em todo o domínio de escoamento Estimativas de recarga na ordem dos 16,6  10 6 m 3 /ano

Simulações (Transmissividade Homogénea) Funcionamento de 6 captações Cenário de exploração Conhecimento acerca do impacto das extracções

Correlação baixa entre valores simulados e observados Limitações das simulações homogéneas

Correlação baixa entre valores simulados e observados Limitações das simulações homogéneas

Criação de zonas representativas do gradiente verificado

Introdução de pontos “fictícios” para que o modelo inverso pudesse convergir

Função objectivo, Φ Coef. de correlação, R 0,9 < 0,9967 Modelo calibrado 5,12 4,56 5,93 v5.2 v5.1 v5

 

Zonas com superfícies piezométricas mais suaves (Fluxo dá-se a uma velocidade superior) T (m 2 /dia) Meio poroso é um artificialismo

Os valores de K determinados à escala regional (simulação) são superiores aos determinados por ensaios de bombagem (escala da captação). Condutividade hidráulica Assumindo que a espessura do aquífero (b) é de 1000 m e K=T/b

Existe variação da condutividade hidráulica com a escala Condutividade hidráulica (Kiraly, 1975)

Até à execução do presente trabalho, o contexto de aplicação do modelo de fluxo do aquífero de Almádena-Odeáxere foi o de avaliar a coerência entre os resultados obtidos por este, os modelos conceptuais existentes e dados de campo. Estimativas regionais de Parâmetros Hidráulicos Distinguir o comportamento hidráulico de diferentes unidades estatigráficas Conclusões Estimativas à escala da captação Parâmetros Homogéneos Determinar a distribuição espacial da transmissividade no aquífero usando a calibração inversa

Conclusões Primeira estimativa de valores de transmissividade regional: - Valores variam entre 86 m 2 /dia e 8158 m 2 /dia Melhoria da fiabilidade de simulações futuras da distribuição espacial e evolução temporal de variáveis de estado Desenvolvimento de cenários de funcionamento hidráulico do sistema aquífero mediante a pressuposição de diferentes regimes de exploração ou de alterações climatéricas

Obrigado

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