GESTÃO OPTIMIZADA DA ÁGUA DOCE DISPONÍVEL NAS ZONAS COSTEIRAS

FACE ÀS ALTERAÇÕES CLIMÁTICAS

Júlio F. FERREIRA DA SILVA Doutor em Engenharia Civil – Hidráulica Professor Auxiliar do Departamento de Engª Civil da Universidade do Minho,

Azurém 4800-058 Guimarães, Portugal 253510200, juliofs@civil.uminho.pt

Resumo As alterações climáticas, designadamente a subida do nível do mar, irão provocam mudanças no equilíbrio entre água doce e a água salgada presentes nos aquíferos costeiros. Neste trabalho, apresentar-se-ão técnicas de optimização e de simulação dos sistemas hídricos costeiros que em conjunto constituem um modelo de gestão da água disponível nestas regiões. O modelo de gestão permite identificar os melhores locais de implantação das captações subterrâneas, determina as extracções máximas para cada cenário de subida do nível do mar, do escoamento natural no aquífero, do local de implantação e da distância de segurança entre o pé da interface água doce / água salgada e o ponto de controlo. O modelo de gestão permite construir curvas com a extracção permitida em função do nível do mar e do local de captação. Estes resultados evidenciam a necessidade do adequado planeamento dos locais de construção das captações, da gestão regrada das extracções e do controlo do avanço da intrusão marinha, para que os efeitos das alterações climáticas sejam antecipadamente mitigados. Palavras-chave: Alterações climáticas. Subida do nível do mar. Controlo da intrusão salina. Modelação de

águas subterrâneas.

1. Introdução O nosso planeta tem sofrido alterações climáticas que, inevitavelmente, provocam mudanças no equilíbrio entre a água doce e a água salgada marinha presentes nos aquíferos costeiros. São diversos os trabalhos científicos que indicam como verosímil a subida nível do mar. Tais alterações devem ser consideradas nas políticas e estratégias de planeamento e de gestão da água das regiões costeiras. As mudanças climáticas influenciarão as futuras solicitações e a disponibilidade de água doce nestas regiões vulneráveis. Entretanto, qualquer que seja a subida do nível do mar, se nada for feito, este fenómeno provocará o avanço para o continente da intrusão marinha e a subsequente redução das reservas de água doce subterrânea. Para fazer face à variação do nível do mar, os sistemas de captação e de abastecimento de água de zonas costeiras devem ser concebidos, dimensionados e geridos para que o fenómeno da intrusão salina seja mantido sob controlo. Os planeadores devem examinar cuidadosamente o número de captações necessário, os respectivos locais de implantação e as quantidades a extrair em cada, para que seja garantida a solicitação de água e maximizado o resultado económico. Estas decisões poderão ser melhor fundamentadas recorrendo a um conjunto de ferramentas de optimização e de simulação que interligadas procuram as melhores soluções e antecipam o comportamento dos sistemas hídricos envolvidos. Para que sejam precavidos os efeitos das alterações climáticas nos aquíferos do litoral será necessário implementar uma adequada utilização dos aquíferos costeiros que inclua o desenvolvimento dum sistema de controlo do fenómeno da intrusão marinha. O modelo de gestão disponibiliza face a cada cenário da projectada subida do nível do mar as melhores políticas de extracção e/ou de injecção / infiltração em função da distância de segurança e de cada eventual local de implantação do sistema de captação. 2. Identificação do problema e metodologia de resolução O problema da concepção e da gestão optimizadas de sistemas de captação e de abastecimento de água a partir de aquíferos potencialmente sujeitos à intrusão salina consiste em determinar os melhores locais de implantação das captações e de recarga e as respectivas quantidades, que satisfaçam as solicitações dos utilizadores, mantendo, no entanto, o controlo sob o fenómeno da intrusão salina. Dada a incerteza associada à projecção das alterações climáticas o estudo realizado teve como propósito cobrir um leque de eventuais cenários, pelo que o modelo de gestão (ou de optimização-simulação) é chamado a encontrar as extracções máximas para cada eventual local de implantação de um conjunto de captações, para cada valor do nível do mar, para cada cenário do escoamento natural e para cada distância de segurança. Assim, as sucessivas execuções do modelo de gestão varrem os valores compreendidos nos intervalos:

max,min, sss xxx ≤≤ (1)

maxmin BBB ≤≤ (2)maxmin dsdsds ≤≤ (3)

em que: xs, xs,mín e xs,máx o local de implantação de cada captação subterrânea medido em relação à linha de costa e os respectivos limites; B e Bmín e Bmáx a altura entre o nível do mar e a base do aquífero e os respectivos limites; ds - distância de segurança.

Na figura seguinte estão esquematizados os sistemas de captação, de abastecimento de água e de controlo da intrusão salina numa zona costeira. Figura 1 - Esquema de sistema de captação e de abastecimento de água a região costeira

REDE DE DISTRIBUIÇÃO

AÇUDE

RA

RA

ETA+EE

Qs1

MAR

ORIGEMFORNECEDOREXTERIOR Qb

ÁGUA DOCE

AQUÍFERO

ÁGUA SALOBRA

R0

LEGENDAQs - EXTRACÇÃO EE - ESTAÇÃO ELEVATÓRIA

ETA - ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA R0 - RESERVATÓRIO REGULARIZAÇÃO BOMBAGEM

Qb - FORNECEDOR EXTERIOR R1 - RESERVATÓRIO REGULARIZAÇÃO DISTRIBUIÇÃO

RA - RECARGA

RA

Qs2

Qs3

R1

3. Modelo de gestão de aquíferos sujeitos à intrusão salina O adequado planeamento dos locais de implantação dos sistemas de captação exige a utilização conjunta de técnicas de optimização e de modelos de simulação do comportamento dos sistemas hídricos das regiões costeiras, designadamente dos aquíferos costeiros. São diversas as técnicas de optimização que podem ser moldadas para determinarem as melhores políticas de implantação das captações e os regimes de extracção de água doce. Os modelos de simulação do escoamento subterrâneo, como os defendidos por STRACK (1989) e BAKKER (2002), antecipam o comportamento do aquífero face às alternativas geradas pela ferramenta de optimização. Em FERREIRA DA SILVA (2003) e FERREIRA DA SILVA (2005) defende-se uma metodologia que associa métodos de optimização e modelos de simulação da intrusão marinha em cascata, num grau de complexidade crescente.

Aplicando as equações diferenciais do escoamento subterrâneo em meios porosos a cada lado da interface água doce / água salgada, então o escoamento num aquífero costeiro pode ser definido por:

( ) ( ) ( )t

hSQ

zh

Kzy

hK

yxh

Kx

ddd

ddzz

ddyy

ddxx ∂

∂=+

∂

∂∂∂

−

∂

∂∂∂

+

∂

∂∂∂ (4)

( ) ( ) ( )t

hSQ

zh

Kzy

hK

yxh

Kx

sss

sszz

ssyy

ssxx ∂

∂=+

∂

∂∂∂

−

∂

∂∂∂

+

∂

∂∂∂ (5)

Em que: x, y - coordenadas, d água doce; s a água salgada; h - altura piezométrica, Q - caudal extraído ou injectado, S - coeficiente de armazenamento, t - tempo. A resolução das equações diferenciais que caracterizam o escoamento pode realizar-se por via analítica, nalguns casos, e mais genericamente por via numérica. Defende-se que o estudo de sistemas complexos e de grande dimensão deve iniciar-se com o recurso a modelos conceptuais simples para numa segunda fase ser usado um modelo numérico, necessariamente mais refinado. Strack (1976 e 1989) desenvolveu uma solução exacta para caracterizar o escoamento em aquíferos costeiros com uma linha de costa recta, diversas captações localizadas a xi do mar e o respectivo caudal Qi. O potencial é definido, usando o método das imagens, por:

( ) ( )( ) ( )∑

=

−++

−+−π

+=φn

i ii

iii

yyxx

yyxxLN

KQ

xK q

122

22

4 (6)

onde: q - escoamento específico; K - condutividade hidráulica; Qi - extracção / Injecção; (xi, yi) coordenadas do local de extracção / injecção; n - número de locais extracção / injecção.

Figura 2 – Corte esquemático do sistema de captação num aquífero costeiro

4. Formulação matemática do problema A formulação matemática do problema envolve a definição da função objectivo e das restrições.

4.1. Objectivo O objectivo é matematicamente representado pela maximização das extracções:

max1

∑=

=sN

ssQZ (7)

sendo: Qs - A extracção em cada captação s; Ns - Número total de captações.

4.2. Restrições O controlo da intrusão salina no aquífero será realizado impondo um valor máximo para a distância entre do “pé” da interface e os pontos de controlo. Estes poderão ser as captações que condicionam a solução, eventualmente as implantadas nos locais mais próximos do mar. Pretendendo implantar um conjunto de captações em linha, então os pontos de controlo serão as captações centrais. Exigindo que a distância de segurança seja respeitada, então limitar-se-á o avanço do pé da interface:

( ) ( ) ( )sspcspe dsxx −≤ ∀s, s=1,2,...,Npc (8)em que: (xpe)s - distância do pé da interface à linha de costa; xpc - distância do ponto de controlo à linha de costa; ds - distância segurança admissível entre a interface e o ponto de controlo; Npc - número de pontos de controlo. As restrições são relativas aos limites de extracção de cada captação e às cotas piezométricas mínimas:

max,min, iii QQQ ≤≤ i = 1, ..., Ns (9)

0hhs ≥ s = 1, ...,Ns (10)em que: Qi,mín e Qi,máx os limites de extracção em cada origem; Ns - Número de origens subterrâneas; hs a cota piezométrica na captação s; h0 a cota piezométrica mínima admissível. 5. Aplicações Nos estudos seguintes considerar-se-á os sistemas de captação / injecção esquematizados nas figuras 1 e 2. Admitir-se-á que as captações subterrâneas serão implantadas num aquífero com condutividade hidráulica de 100 m/dia e escoamento específico actual de 0,6 m³/m.dia. Considerando que a altura actual da superfície do mar está catorze metros acima da base do aquífero (B=14,0 m), então não havendo qualquer extracção o pé da interface localiza-se a 418,54 m da linha de costa. Admitindo sucessivos valores para a distância de segurança, desde a distância mínima de 100 m, depois 200 m até 800 m, as captações poderão ser implantadas, respectivamente, a partir dos 520 m, 620 m, etc.

No estudo admitiram-se diversos cenários para a subida do nível do mar, pelo que foram realizados sucessivos cálculos para incrementos deste parâmetro de 0,05 m (Bi = 14, 14,05..., 15 m). As captações distam entre si 1000 m. Admite-se que a extracção máxima em cada captação é de 2000 m3/dia. Admitindo como cenário a redução máxima do escoamento natural em 30% se a subida do nível do mar for de 1,0 m, então a relação entre o caudal por metro linear e a subida do nível do mar será:

hq ∆−= 18,060,0 (11)em que: ∆h a subida do nível do mar. O problema que aqui pretende resolver-se consiste em determinar qual será a extracção máxima numa barreira de três captações para que seja assegurado o controlo da intrusão salina, ou seja para manter a interface água doce / água salobra para além duma distância de segurança versus local de implantação com aumento do nível do mar e redução do escoamento natural. Em Ferreira da Silva e Ribeiro (2006) foram apresentados os estudos para a definição das melhores políticas de extracção para um conjunto das três captações quando a distância de segurança (ds) era de 300 m e de 500 m. Neste trabalho generaliza-se a análise, alargando-a a outras distâncias de segurança ds = 100, 200, ..., 700 m. Por exemplo, considerando uma distância de segurança de 200 m as extracções máximas permitidas na situação actual serão: Quadro 1 - Extracções em 3 captações vs local de implantação para ds=200 m B =14,0 m e q = 0,6 m2/dia

Local Q1 Q2 Q3 Sum Q(m) (m3/dia) (m3/dia) (m3/dia) (m3/dia)

740.00 191,71 150,52 191,71 533,94(...)

1000.00 479,62 347,73 479,62 1306,96(...)

2000.00 1143,63 720,94 1143,63 3008,20(...)

2800.00 1530,61 931,45 1530,61 3992,66sendo: Q1, Q2, Q3 as extracções máximas, respectivamente, nas captações 1, 2 e 3 (m3/dia) e Sum Q a extracção total na barreira (m3/dia). A comparação destes resultados (ds = 300 m e ds = 200 m) evidencia que quanto maior for a segurança pretendida, ou seja quanto maior for a distância de segurança ds, menores serão as extracções nos locais mais próximos do mar, no entanto, nos locais de implantação mais afastados do mar os resultados do modelo de optimização – simulação indicam um aumento nas extracções para distâncias de segurança maiores. Isto entender-se-á recorrendo à visualização do funcionamento do sistema e atribuindo significado físico aos valores numéricos. De facto, sendo o fenómeno do avanço da intrusão salina não linear e podendo a interface água doce / água salgada dar um salto quando se aproxima das captações, invadindo-as bruscamente, então a melhor política de extracção corresponderá a manter a interface a uma distância de segurança maior, conforme se pode visualizar na figura seguinte:

Figura 3 - Extracção total máxima em 3 captações na situação inicial (∆h=0) vs local de implantação e distância de segurança

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

500062

0

700

780

860

940

1020

1100

1180

1260

1340

1420

1500

1580

1660

1740

1820

1900

1980

2060

2140

2220

2300

2380

2460

2540

2620

2700

2780

Local de implantação dist. linha costa (m)

Extr

acçõ

es (m

3 /dia

)

ds 100 ds 200 ds 300 ds 400 ds 500 ds 600 ds 700

A selecção do valor máximo de extracção em cada eventual local de captação permite identificar, também, qual será a distância de segurança mais adequada. Figura 4 - Extracção total máxima em 3 captações na situação inicial (∆h=0) vs local de implantação e

distância de segurança

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

620

700

780

860

940

1020

1100

1180

1260

1340

1420

1500

1580

1660

1740

1820

1900

1980

2060

2140

2220

2300

2380

2460

2540

2620

2700

2780

Local de implantação dist. linha costa (m)

Extr

acçõ

es B

=14

m δ

h=0

(m3 /d

ia)

ds 100 ds 200 ds 300 ds 400 ds 500 ds 600 ds 700

Assim, à medida que afastamos as captações do mar pode extrair-se maiores quantidades mantendo a interface a maiores distâncias. Por outro lado, verifica-se que a eventual ideia de manter a interface mais próxima das captações nos locais mais afastados do mar não corresponde a um acréscimo nas extracções. Face à subida do nível do mar, o controlo do avanço da intrusão marinha poderá ser realizado com a redução das extracções. Adoptando a metodologia descrita anteriormente, correu-se o modelo de optimização - simulação para sucessivas eventuais subidas do nível do mar. De acordo com a hipótese formulada a uma subida de 0,50 m corresponderá um q = 0,51 m2/dia. Nestas circunstâncias, não será possível extrair água doce nos locais mais próximos do mar, podendo ser eventualmente necessário abandonar algumas captações. As extracções máximas em cada captação para uma subida do nível do mar de 0,5 m e uma distância de segurança de 200 m são as registadas no quadro seguinte: Quadro 2 - Extracções em 3 captações vs local de implantação para ds=200 m B =14,50 m e q = 0,51 m2/dia

Local Q1 Q2 Q3 Sum Q(m) (m3/dia) (m3/dia) (m3/dia) (m3/dia)

860.00 138,89 104,78 138,89 382,56(...)

1000.00 271,49 196,83 271,49 739,81(...)

2000.00 870,00 548,44 870,00 2288,45(...)

2800.00 1206,08 733,95 1206,08 3146,10 Comparando estes resultados com os registados no quadro 1 consta-se uma redução nas extracções, conforme era expectável. Na figura seguinte pode verificar-se a redução nas extracções das 3 captações quando implantadas a 1100 m da linha de costa em função da subida do nível do mar e ds de 200 m. Figura 5 - Extracção total máxima em 3 captações implantadas a 1110 m da linha de costa vs subida do

nível do mar quando ds = 200 m

0,0

200,0

400,0

600,0

800,0

1000,0

1200,0

1400,0

1600,0

1800,0

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

Subida do nível do mar (m)

Ext

racç

ões (

m3 /dia

)

Ext. Local 1100,0 m da Linha de Costa

A quantidade total máxima que será possível extrair na barreira de 3 captações em função do local de implantação e da subida do nível do mar fica registada no quadro seguinte e representada na figura que se lhe segue. Quadro 3 – Extracção total máxima em 3 captações vs local de implantação e subida do nível do mar

Local (m) Subida do nível do mar (m) B=14 m ∆h=0 ∆h 0,20 ∆h 0,4 ∆h 0,50 ∆h 0,6 ∆h 0,8 ∆h 1

620 374,19 214,70 640 438,51 278,05 116,98 660 500,37 338,92 176,86 680 559,97 397,51 234,45 700 617,50 454,01 289,93 207,68 125,28 720 673,12 508,58 343,48 260,71 177,80 740 726,98 561,39 395,23 311,95 228,52 760 779,20 612,54 445,33 361,52 277,57 109,26 780 829,91 662,17 493,90 409,56 325,08 155,72 800 879,21 710,39 541,04 456,16 371,15 200,73 820 927,20 757,29 586,85 501,43 415,88 244,39 840 973,97 802,95 631,42 545,46 459,37 286,80 113,71 860 1019,60 847,47 674,84 588,33 501,69 328,04 153,87 880 1064,15 890,91 717,17 630,11 542,92 368,18 192,93 900 1107,70 933,34 758,49 670,87 583,14 407,29 230,95 920 1150,30 974,82 798,85 710,68 622,39 445,44 268,00 940 1192,02 1015,41 838,32 749,59 660,74 482,68 304,13 960 1232,90 1055,16 876,94 787,65 698,24 519,06 339,41 980 1273,00 1094,12 914,76 824,91 734,94 554,65 373,88

1000 1312,34 1132,32 951,84 861,42 770,89 589,47 407,59 1020 1354,86 1169,82 988,20 897,22 806,12 623,57 440,57 1040 1401,65 1206,65 1023,89 932,34 840,67 657,00 472,87 1060 1447,37 1242,84 1058,94 966,82 874,58 689,78 504,53 1080 1492,11 1282,44 1093,38 1000,69 907,89 721,95 535,57 1100 1535,92 1325,23 1127,25 1033,99 940,62 753,54 566,03

(...) 1500,00 2306,40 2058,36 1811,04 1694,37 1577,59 1343,71 1.109,38

(...) 2000,00 3160,57 2863,23 2574,58 2430,08 2285,47 1998,63 1.720,45

(...) 2700,00 4251,92 3927,68 3569,40 3390,09 3210,66 2853,04 2.502,24

Figura 6 - Extracção total máxima em 3 captações vs local de implantação vs subida do nível do mar

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

620

700

780

860

940

1020

1100

1180

1260

1340

1420

1500

1580

1660

1740

1820

1900

1980

2060

2140

2220

2300

2380

2460

2540

2620

2700

2780

Local de implantação dist. linha costa (m)

Extr

acçõ

es (

m3 /d

ia)

B=14 m dh 0 dh 0,20 dh 0,4 dh 0,50 dh 0,6 dh 0,8 dh 1

A análise destes últimos resultados permite constatar que a eventual subida do nível do mar terá como principais consequências o avanço da cunha salina e, subsequentemente, o afastamento do primeiro local, em relação à linha de costa, onde é seguro captar e a redução das quantidades máximas permitidas em cada possível local de implantação das captações. Na figura seguinte encontra-se o primeiro local de extracção (distância à linha de costa) em que é respeitada a distância de segurança em função da altura do nível do mar. Figura 7 - 1.º local de extracção seguro em função da distância de segurança e do nível do mar

400

600

800

1000

1200

1400

1600

ds 1

00

ds 2

00

ds 3

00

ds 4

00

ds 5

00

ds 6

00

ds 7

00

dist segurança (m)

1.º l

ugar

seg

uro

para

ext

racç

ão_d

ist l

inha

de

cost

a (m

)

14,00 14,20 14,40 14,50 14,60 14,80 15,00

A redução nas extracções provocadas por uma qualquer hipótese de subida do nível do mar face à situação actual em cada eventual de local de implantação está representada nas figuras seguintes: Figura 8 – Redução em m3/dia na extracção vs dist. à linha de costa das 3 captações e subida do mar

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

620

700

780

860

940

1020

1100

1180

1260

1340

1420

1500

1580

1660

1740

1820

1900

1980

2060

2140

2220

2300

2380

2460

2540

2620

2700

2780

Local de implantação dist. linha costa (m)

Red

ução

nas

ext

racç

ões (

m3 /d

ia)

dh 0,20 dh 0,4 dh 0,50 dh 0,6 dh 0,8 dh 1

Figura 9 – Redução em % na extracção vs dist. à linha de costa das 3 captações e subida do nível do mar

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

620

700

780

860

940

1020

1100

1180

1260

1340

1420

1500

1580

1660

1740

1820

1900

1980

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Local de implantação dist. linha costa (m)

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6. Conclusões As projectadas variações do nível do mar motivadas pelas alterações climáticas irão, progressivamente, provocar modificações no equilíbrio dos volumes de água salgada e água doce nos aquíferos costeiros. A concepção e a gestão dos sistemas de captação e de abastecimento de água a zonas costeiras devem ser realizadas tendo, antecipadamente, em atenção a expectável subida do nível do mar, a redução do escoamento no aquífero e o, subsequente, avanço da cunha salina marinha. Estudaram-se os efeitos da subida do nível do mar e da redução do escoamento natural na implantação e funcionamento duma barreira de captações. Determinaram-se as extracções máximas permitidas em função do local de implantação (distância à linha de costa) e da distância de segurança entre o pé da interface água doce / água salgada e o ponto de controlo. A simulação da evolução do fenómeno da intrusão marinha e o controlo das extracções preconizado pelo modelo de gestão permitem a definição de políticas que serão capazes de mitigar os eventuais efeitos das alterações climáticas. Os estudos realizados evidenciam que essas alterações implicarão reduções nas extracções que são função do local de implantação das captações, podendo este facto ser, desde já, usado como critério de planeamento de novas obras. A visualização dos valores da redução da extracção máxima para que as captações não sejam invadidas versus local de implantação, ajuda na percepção da necessidade de uma adequada política de gestão que vigile continuamente a evolução do fenómeno da intrusão marinha. Os estudos realizados indicam que modelo de gestão desenvolvido permite a concepção e a exploração optimizadas de sistemas de captação em aquíferos do litoral, face a cada eventual cenário de alteração climática. Assim, conclui-se que o modelo apresentado pode ser um instrumento útil para a definição de políticas sustentáveis da utilização da água em zonas costeiras. Agradecimentos

O autor regista o apoio da FCT ao Centro de Engenharia Civil da UMinho. Bibliografia 1. BAKKER, Mark e Schars, F. - “The Sea Water Intrusion (SWI) Package Manual”,

Version 1, Dezembro, 2002; 2. FERREIRA DA SILVA, Júlio – “Gestão optimizada à escala regional de sistemas aquíferos

potencialmente sujeitos à intrusão salina - Um modelo global para o uso sustentável da água em regiões costeira”, Dissertação de doutoramento em Engenharia Civil - Hidráulica, Universidade do Minho, 2003;

3. FERREIRA DA SILVA, Júlio F. “Localização e gestão optimizadas de sistemas de captação e de controlo da intrusão marinha em aquíferos costeiros”, 7.º SILUSBA, Évora, 30 Maio-2 Junho; 2005;

4. FERREIRA DA SILVA, Júlio e RIBEIRO, Luís T. – “Efeitos das alterações climáticas e da subida do nível do mar nos aquíferos costeiros”, 8.º Congresso da Água. Lisboa, Março, 2006;

5. SANTOS, F. D., K. Forbes and R. Moita – “Climate change in Portugal scenarios, impacts and adaptation measures – SIAM project”, Gradiva, Fundação Caloute Gulbenkien, FCT; 2002;

6. STRACK, O. D. L. - “Groundwater Mechanics”, Prentice Hall, 1989.