MODELAGEM DE SISTEMAS AMBIENTAIS

CAPÍTULO 1 – SISTEMAS E MODELOS

I - AS ABORDAGENS HOLÍSTICAS E REDUCIONISTAS

Os procedimentos metodológicos utilizados na análise dos fenômenos estão

relacionados com a natureza do objeto de estudo e com a visão de mundo adotada pelo

cientista. Ao lado da estrutura conceitual há necessidade de que haja disponibilidade da

instrumentação tecnológica para a coleta de informações e efetiva ação analítica.

O desenvolvimento tecnológico possibilita a produção de novos equipamentos mais

capazes e adequados às pesquisas científicas, favorecendo ampliar a obtenção de dados, a

compreensão, o diagnóstico e o manejo dos sistemas de organização complexa.

As perspectivas envolvendo a análise ecológica, a geografia e a ambiental englobam

estudos considerando a complexidade do sistema e estudo das suas partes componentes. A

abordagem holística sistêmica é necessária para compreender como as entidades ambientais

físicas, por exemplo, expressando-se em organizações espaciais, se estruturam e funcionam

como diferentes unidades complexas em si mesmas e na hierarquia de aninhamento.

Simultânea e interativamente há necessidade de focalizar os subconjuntos e partes

componentes em cada uma delas, a fim de melhor conhecer seus aspectos e as relações entre

eles. A abordagem reducionista também se enquadra como básica na pesquisa dos sistemas

ambientais, sem contraposição com a holística.

A – As concepções de mundo

A significância e a valorização a respeito de meio ambiente estão relacionados a

visão de mundo imperante em cada civilização, apresentando inclusive nuanças em seus

segmentos socioeconômicos. Por essa razão, o relacionamento entre homem e o meio

ambiente possui variações de região e ao longo da história. A formação dessa estrutura

conceitual realiza-se de modo difuso ou sistemático, envolvendo os conhecimentos do senso

comum, o religioso, o filosófico e o científico.

Conhecimento religioso: a natureza como desígnio de Deus, sendo obra pura e

perfeita. Já o naturalista Alexandre Von Hulboldt, em decorrência das suas

viagens de estudo, argumentou longamente para demostrar que a distribuição

dos seres vivos na superfície da Terra era explicada pela ação climática e não

como sendo da vontade divina.

Visão mecanicista: considera no mundo que a organização é composta por

peças elementares e separadas, mas que interagem em funcionamento similar

ao das máquinas, como se fosse um relógio.

Concepção organicista: no âmbito da superfície terrestre, cada unidade regional

chega a atingir um estado de equilíbrio conforme as condições reinantes e

funciona de maneira integrada com as demais para compor a individualização e

a funcionalidade geral no planeta Terra.

B – As noções de Unidade, totalidade e complexidade

A unidade representa a qualidade do que é um único, só ou sem partes, sendo tudo o

que pode ser considerado individualmente.

A totalidade aplica-se às entidades construídas por um conjunto de partes e

específica, independente da somatória dos elementos componentes.

Inerentemente à totalidade encontra-se a concepção e a análise da complexidade. Os

sistemas complexos apresentam diversidade de elementos, encadeamentos, interações fluxos e

retroalimentação compondo uma entidade organizada.

Um sistema complexo pode ser definido como sendo composto por grande

quantidade componentes interatuantes, capazes de intercambiar informações com seu entorno

condicionante e capazes, também, de adaptar sua estrutura interna como sendo consequência s

ligadas a tais interações.

C – Holismo e reducionismo

A abordagem analítica encontra-se mais desenvolvida nas atividades científicas,

necessária à análise e interpretação. Essa redução encontra-se contrapartida na síntese e na

generalização. A ciência tem por objetivo explicar, generalizar e determinar as causas, de

modo que as hipóteses sejam formuladas e verificadas através de comparações e

experimentos, e as teorias incluem enunciados expressando leis da natureza. Essa abordagem

geral é denominada de reducionista, definida mais formalmente como conceitos ou

enunciados redefinidos em termos que são mais elementares ou básicos.

A outra abordagem considera que a análise de fenômenos deve ser realizada em seu

próprio nível hierárquico, e não em função do conhecimento adquirido nos componentes de

nível inferior. Isso significa que ela procura compreender o conjunto mais do que suas partes

e sugere que o todo é maior que a somatória das propriedades e relações de suas partes, pois

há o surgimento de novas propriedades que não emergem do conhecimento das suas partes

constituintes. Essa abordagem é denominada de holística, definida como a concepção de que o

todo possui propriedades que não podem ser explicadas em termos de seus constituintes

individuais.

II - DEFINIÇÃO E TIPOLOGIA DE SISTEMAS

Sistema é o conjunto organizado de elementos e de interações entre os elementos,

possui uso antigo e difuso no conhecimento científico (sistema solar). Os sistemas podem ser

classificados como?

a) Sistemas isolados: são aqueles que, dadas as condições iniciais, não sofrem mais nenhuma

perda nem recebem energia ou matéria do ambiente que os circundam. Dessa maneira,

conhecendo-se a quantidade inicial de energia livre e as características da matéria, pode-se

calcular exatamente o evoluir dos sistemas e qual o tempo que decorrerá até o seu final.

b) Sistemas não isolados: mantém relações com os demais sistemas do universo no qual

funcionam, podendo ser subdivididos em: fechados e abertos. Os fechados há permuta de

energia (recebimento e perda). Abertos são aqueles nos quais ocorrem constantes trocas de

energia e matéria, tanto recebendo como perdendo (bacia hidrográfica, vertente, homem,

cidade, indústria, animal, ...).

Levando-se em consideração critérios para a complexidade da composição

integrativa Chorley e Kennedy (1971) propuseram uma classificação estrutura e distinguem

onze tipos de sistemas. Entre eles, toda via, consideram que os mais relevantes para o campo

de ação da Geografia Física e análise ambiental são os quatro primeiros. As definições e as

características são as seguintes?

a) Sistemas morfológicos: são compostos somente pela associação das propriedades físicas

dos sistemas e de seus elementos componentes, ligados com os aspectos geométricos e de

composição, constituindo os sistemas menos complexos das estruturas naturais.

Correspondente às formas: comprimento, altura, largura, declividade, granulometria,

densidade e outras. A coesão e a direção da conexidade entre tais variáveis são reveladas pela

análise de correlação. Exemplo: a densidade de drenagem é uma resposta à hidrologia da área;

a densidade de estradas é resposta à intensidade demográfica e econômica de uma área.

b) Sistemas em sequência ou encadeantes: são compostos por cadeia de subsistemas,

possuindo tanto grandeza como localização espacial, que são dinamicamente relacionados por

uma cascata de matéria e energia. O posicionamento dos subsistemas é contíguo e nesta

sequencia a saída (output) de matéria e energia de um subsistema de localização adjacente.

Nos sistemas em sequencia a relevância da análise incide na caracterização dos fluxos de

matéria e energia e nas transformações ocorridas em cada subsistema. Está focado na relação

entre entrada e saída.

c) Sistema de processo-resposta: são formados pela combinação de sistemas morfológicos e

sistemas em sequencia. Os sistemas em sequencia indicam o processo, enquanto o

morfológico representa a forma, a resposta a determinado funcionamento. Ao definir os

sistemas de processo-resposta, a ênfase maior está focalizada para identificar as relações entre

o processo e as formas que dele resultam. Exemplo: aumentar a capacidade de infiltração de

determinada área, haverá diminuição no escoamento superficial e na densidade da drenagem,

o que reflete na diminuição da declividade das vertentes.

d) Sistemas controlados: são aqueles que apresentam pela intervenção humana. “Válvulas”

sobre as quais o homem pode intervir para produzir modificações na distribuição de matéria e

energia dentro dos sistemas em sequencia e, consequentemente, influencias nas formas que

eles estão relacionados.

III – DEFINIÇÃO E TIPOS DE MODELOS

Modelo é uma estruturação simplificada da realidade que supostamente apresenta, de

forma generalista, características ou relações importantes. São aproximações altamente

subjetivas, por não incluírem todas as observações ou medidas associadas, mas são valiosos

por obscurecerem detalhes acidentais e por permitirem o aparecimento dos aspectos

fundamentais da realidade.

A – Tipologia de modelos em Geomorfologia

1. Modelos análogos naturais: tem a finalidade de esclarecer determinada categoria de

fenômenos ou sistemas, traduzindo seus aspectos supostamente importantes ou característicos

por meio de uma representação analógica considerada mais simples, melhor conhecida ou sob

um aspecto mais prontamente observável do que as ocorrências na natureza. Podendo ser

histórico ou espacial.

2. Análogos abstratos: fundamentam-se na perspectiva de que a pesquisa pode ser melhor

realizada pela análise da estrutura do sistema envolvido na problemática focalizada pela

pesquisa, discernido as suas partes supostamente componentes, de modo que o funcionamento

de cada parte e as interações entre elas possam ser examinadas convenientemente, levando a

uma possível organização completa dos componentes num todo funcional.

3. Modelos que sintetizam sistemas: visa sintetizar os sistemas que tem a finalidade de

fornecer um quadro global da totalidade do sistema, estabelecendo o grau de conhecimento

sobre as partes componentes, interações entre os elementos e funcionamento interativo entre

os inputs e outputs do sistema. O objeto é compreender o sistema como um todo em vez de se

basear no estudo detalhado de elementos individuais do sistema ou numa determinada

sequencia encadeante dos processos envolvidos em uma categoria do fluxo.

B – A tipologia proposta por Haines-Young e Petch (1986)

Eles procuraram salientar outra definição sobre modelos, considerando a

funcionalidade para a atividade científica, mostrando que são mecanismos pelos quais as

premissas são usadas para possibilitar conclusão. Mostram que os modelos são instrumentos

usados para elaborar predições. Baseia-se nos critérios de como são construídos e utilizados

no teste sobre hipóteses, considerando: se o modelo é determinístico ou estocástico; se o

modelo é parcial ou plenamente especificado; e se o modelo é hardware ou software.

O primeiro se refere à estrutura com que se organiza o modelo; o segundo quanto aos

conteúdo empírico; e o terceiro quanto às condições do procedimento usado na modelagem.

C – A tipologia dos modelos em hidrologia (Singh)

Sintetiza a classificação de modelos utilizados em estudos hidrológicos, pois são de

diferentes tipos e desenvolvimento para objetos diferenciados.

D – Classificação dos modelos de simulação em hidrologia

São utilizados modelos de síntese e de simulação, para gerar sequencias artificiais de

dados a fim de serem aplicadas na racionalização das análises em pesquisa e tomadas de

decisão como: no contexto das cheias, construção de barragens, sistemas de abastecimento de

água e recursos hídricos. A simulação é definida como a descrição matemática da resposta

de um sistema hidrológico de recursos hídricos a uma série de eventos durantes um

predeterminado período de tempo. Exemplo: calcular média diária, mensal ou anual de

escoamento fluvial. Os modelos de síntese possuem a potencialidade de ampliar os

procedimentos de simulação, sendo utilizados na análise de séries temporais com a finalidade

de gerar sequencias sintéticas de dados sobre precipitação ou escoamento fluvial.

E – A tipologia dos modelos em climatologia

É simular os processos e produzir os efeitos resultantes nas mudanças e nas

interações internas. Alguns modelos descrevem o sistema climático em função dos princípios

físicos, químicos, biológicos e, talvez, também dos sociais. Por essa razão, o modelo climático

pode ser considerado como compreendendo uma série de equações que expressão essas leis,

devendo ser uma simplificação do mundo real. Quanto mais complexa for a representação,

mais difícil se torna o uso do modelo, até mesmo em computadores muito velozes, e os

resultados sempre são meras aproximações.

F – A tipologia dos modelos no campo dos sistemas de informação geográfica

Considerando que o modelo é a representação da realidade, sob forma material ou

simbólica, há duas categorias gerais de modelos: a estrutural e a relacional. A primeira

focaliza a composição de componentes, tais como objetos e ações, a segunda focaliza a

interdependência e as relações entre os fatores e processos, sob as perspectivas funcional e

conceitual.

Os modelos no campo dos sistemas de informação geográfica são de dois tipos

básicos: cartográficos e espaciais. Os modelos cartográficos resultam da automação de

técnicas manuais que tradicionalmente usam instrumentos de desenho e sobreposição de

transparências (um mapa identificando localização de solos produtivos e vertentes suaves,

usando lógica binária expressa como geo-query (linguagem geográfica)). Os modelos

espaciais são expressões das relações matemáticas entre variáveis mapeadas (mapa de

aquecimento da superfície em função da temperatura ambiente e da irradiação solar, usando

lógica multivariada expressa como variáveis, parâmetros e relações).

CAPÍTULO 2 – CARACTERÍSTICAS POTENCIAL DA MODELAGEM

I – A MODELAGEM COMO PROCEDIMENTO NA METODOLOGIA CIENTÍFICA

A modelagem pode ser considerada como instrumento entre os procedimentos

metodológicos da pesquisa científica. A justificativa reside no fato de que a construção de

modelos a respeito dos sistemas ambientais representa a expressão de uma hipótese científica,

que necessita ser avaliada como sendo enunciado teórico sobre o sistema ambiental

focalizado. Essa avaliação configura-se como teste de hipóteses. Sob essa perspectiva, a

construção de modelos pode ser considerada como sendo procedimento inerente à pesquisa

científica e a sua elaboração deve ser realizada acompanhando os critérios e normas da

metodologia científica.

Dois procedimentos gerais são adequados à investigação na pesquisa científica: o

indutivo e hipotético-dedutivo.

a) A concepção indutiva da investigação científica foi considerada por muito tempo

como o procedimento metodológico geral e clássico das ciências físicas e naturais, e suas

proposições iniciais remontam a Francis Bacon. As etapas estabelecidas nesse procedimento

são as seguintes:

Observações e coleta de todos os fatos e informações;

Definição, análise e classificação dos fatos e informações;

Derivação indutiva e generalização a partir dos fatos e informações;

Verificação adicional das generalizações, por meio de novas observações e

coleta de dados;

Construção de leis e teorias.

As observações e a coleta de informações são necessárias à compreensão científica

por meio à compreensão científica e realizadas por meio de diversas técnicas. Através dos

processos de definição, mensuração e classificação os fatos e as informações são organizadas

e ordenadas em grupos e categorias, recebendo um determinado grau de organização. Na

concepção indutiva admite-se expressamente que nessas duas etapas iniciais não se faça uso

de qualquer estimativa ou hipótese, pressupondo que as ideias pré-concebidas prejudicariam a

isenção necessária à objetividade científica da investigação.

b) o procedimento hipotético-dedutivo surge como algo mais complexo, pois

considera o conhecimento científico como sendo espécie de especulação controlada. As

etapas são interconectadas e reflexivas e não há nenhuma razão essencial para se começar

pela primeira. O pesquisador não precisa, necessariamente, iniciar seu trabalho por uma

hipótese ou por uma teoria ou modelo. Em geral, a teoria precede a formulação de hipóteses e

de leis, mas estas logicamente encontram-se conectadas e suportando a teoria. De modo geral,

as etapas estabelecidas são as seguintes:

Concepção teórica de como a realidade encontra-se estruturada, podendo-se

então construir modelos a priori. A teoria, em sua estruturação lógica, fornece

consistência e um conjunto de enunciados, assegurando conexão entre as

noções abstratas contidas na teoria e na formulação sobre os fatos;

Enunciado de hipóteses, que fornece uma interpretação empírica a ser

verificada com as observações e coleta de dados. As hipóteses são deduzidas

do corpo teórico;

Em função da hipótese, especificar as variáveis relevantes, coletar os dados

pertinentes, analisa-los e interpretá-los;

Se a hipótese for validada, passa à categoria de leis, que se integra na teoria. Se

for refutada, ela pode promover reformulação da teoria ou proposição de nova

teoria. Há retroalimentação contínua entre teorias, hipóteses e leis;

Desde que a significância de uma relação possa ser estabelecida, ela pode ser

testada com dados de qualquer outra área ou sistema. Por meio desses testes as

hipóteses ganham maior validade de reaplicação, sendo aceita como

generalização teórica. Não se restringindo a uma ocorrência particular, a um

exemplo único, o enunciado possui aplicação geral para a categoria de

fenômenos e pode ser referencial para a predição.

Considerando que as observações sempre são interpretadas à luz de teorias, pois elas

se fazem de modo seletivo, observa que na pesquisa “não partimos de observações, mas

sempre de problemas ou de questões práticas de uma teoria que caiu em dificuldades. Uma

vez que deparamos um problema, podemos começar a trabalhar nele”. O ponto inicial,

portanto, é a presença de um problema ou dificuldade.

Nesse contexto, a modelagem de sistemas ambientais insere-se como procedimento

metodológico hipotético-dedutivo, pois expressa configurações elaboradas em decorrência de

hipóteses ou de explicações. Os modelos são direcionados mais para a categoria, e a inserção

de valores específicos sobre as variáveis dos elementos e suas relações descrevem as

características e comportamento de um caso particular e sua ajustagem na classe referenciada

pelo modelo. O processo da modelagem é constituído por um conjunto de regras semiformais

que guiam o interessado visando a solução de um problema: a construção do modelo. Tais

regras são mecânicas nem instruções computacionais, cujo encaminhamento passo-a-passo

venha a ser garantia de chegar ao resultado final e representar êxito e sucesso do modelo.

II – AS CARACTERÍSTICASE FUNÇÕES DOS MODELOS

Na construção de modelos deve-se considerar aspectos envolvidos com as

características e funções, que por vezes se entremeiam. São aspectos que possibilitam

identificar e avaliar a qualidade dos modelos oferecidos, criando exigências mais específicas

para com o cuidado a ser aplicado na modelagem.

A – As características dos modelos

As principais características são as seguintes:

1. Seletividade: a característica fundamental dos modelos é que sua construção implica numa

atitude altamente seletiva quanto às informações, na qual os ruídos e os sinais menos

importantes são eliminados para permitir que se veja algo do âmago das coisas.

2. Estruturação: a construção salienta que os aspectos selecionados da realidade são

explorados em termos de suas conexões. Há um padrão integrativo entre componentes

diferenciados, considerando as suas características morfológicas e funcionais. Nesse sentido,

o modelo procura representar as relações propiciadas na dinâmica dos processos, ou na

correlação das variáveis.

3. Enunciativo: refere-se ao significador enunciativo ou potencial de sugestões, pois os

modelos bem sucedidos contêm sugestões para sua ampliação e generalização. Dois aspectos

são inerentes: a) a estruturação integrativa do modelo pode enunciar ou sugerir que as

implicações do conjunto são maiores do que as possivelmente supostas pelas suas partes

individuais; b) há o potencial enunciativo para previsões sobre aspectos no mundo real,

ganhando desse modo o caráter especulativo. Aquele que oferece implicações suficientemente

ricas para sugerir hipóteses e especulações no campo principal da investigação.

4. Simplicidade: o modelo deve ser suficientemente simples de manipular e de se

compreender pelos seus usuários, mas sem detrimento de ser representativo do espectro total

das implicações que possa ter e da complexidade necessária para representar com precisão o

sistema em estudo.

5. Analógicos: os modelos são analogias, porque são diferentes do mundo real e mostrando

uma maneira aproximada de se compreendê-lo.

6. Reaplicabilidade: é pré-requisito dos modelos nas ciências empíricas. Isso significa que o

modelo não se apresenta apenas como descritivo de um caso, mas possibilita que seja usado

para outros casos da mesma categoria.

B – As funções dos modelos

A modelagem, como procedimento técnico da abordagem teorética visa atender

requisitos envolvidos nas diretrizes metodológicas da pesquisa científica. Os modelos são

necessários por constituírem pontes entre os níveis da observação e as proposições teóricas.

Devem ser construídos com objetivos claros, delineando justamente o que poderiam prever.

Semelhantemente aos estudo de campo, que explicitamente surgem como procedimentos de

teste para modelos ou hipóteses específicas, os modelos deveriam ser definidos como

instrumentos de previsão para sítios particulares, e/ou processos particulares em tempos e

escalas espaciais devidamente especificados. Os modelos que não tem a possibilidade de

serem testados são tão inaceitáveis como as coleções de dados desestruturados. Os objetivos

mais comuns da modelagem são a comunicação de conceitos e a previsão a curto prazo,

permitindo responder e prever ou comparar previsões de alternativas como sendo um

instrumento de planejamento. Em virtude dessas finalidades, pode-se estabelecer que as suas

principais funções são as seguintes: psicológica, comunicativa, promissora, logicidade,

normativa, adequação, previsibilidade, simulação de cenários possíveis em função de

mudanças ambientais, relacionar as mensurações dos processos a curto prazo com a evolução

das formas a longo prazo, condensação tempo-espacial, desenvolver explicações aplicáveis a

todas as escalas.

III – INSTRUMENTOS BÁSICOS PARA A CONSTRUÇÃO DE MODELOS