A escolha do modelo numérico mais adequado para o seu projeto nem sempre é tarefa fácil, devido à diversidade de ferramentas disponíveis com diferentes funcionalidades capazes de quantificar as variáveis hidrogeológicas. São diversos fatores a levar em conta, como objetivos da modelagem, tamanho, escala e complexidade do sistema modelado, quantidade de dados disponíveis, duração e orçamento do projeto. Também contam a facilidade de uso, qualidade do suporte técnico oferecido e a experiência do modelador.
Para facilitar a decisão, é importante ter conhecimento dos métodos mais comuns para modelagem de águas subterrâneas e aplicações típicas para cada.
Modelos numéricos utilizam métodos para resolver as equações diferenciais parciais que descrevem o fluxo e transporte de solutos e calor em subsuperfícies. As técnicas de Diferenças Finitas e Elementos Finitos são as mais utilizadas. Ambos são métodos aproximativos que quebram o domínio contínuo em componentes discretos.
Diferenças Finitas
No método de diferenças finitas, os parâmetros atribuídos a um nó são considerados constantes para a célula que ele representa. A carga hidráulica é computada para cada nó e representa a média das cargas para a célula que compreende o nó. A malha tradicionalmente é criada usando células estruturadas, retangulares.
O método é aplicado para resolver de modo iterativo a equação tri-dimensional de fluxo ou de transporte de massa, assumindo que as propriedades permanecem constantes em cada célula. O MODFLOW, desenvolvido por uma equipe de hidrogeólogos da U.S Geological Survey, é um exemplo de modelo numérico de diferenças finitas, sendo que sua versão mais recente, o MOFLOW USG, permite o uso de malhas não estruturadas. É o simulador mais popular de águas subterrâneas, sendo de fonte aberta e bem documentado.
Na prática, muitos usuários aplicam o MODFLOW devido ao grande número de interface gráficas disponíveis (Visual MODFLOW, GW Vistas, GMS etc) e devido a maior facilidade no desenvolvimento de modelos em áreas de geologia simples. Sua desvantagem é a dificuldade em representar geologias complexas e a limitação em modelar falhas e fraturas.
Malha estruturada - Modflow tradicional. © Aquaveo
Elementos Finitos
O método de elementos finitos define a variação de cargas hidráulicas dentro de cada elemento da malha, aplicando funções de interpolação. Quando comparado ao método anterior, é mais adequado para representar geologias complexas, pois os elementos podem ter qualquer forma geométrica, sendo as mais comuns os elementos triangulares ou tetraédricos. Por isso, são recomendadas para obter resultados espacialmente detalhados, principalmente quando se pretende modelar componentes hidrogeológicos como falhas, fraturas ou poços, túneis e outras estruturas.
Geração automática e adaptação de malhas são recursos oferecidos pela maioria dos softwares que usam elementos finitos. Além da melhor representação geométrica, a adaptação da malha permite a criação de malhas refinadas em locais específicos, onde se busca maior precisão. A heterogeneidade da malha proporciona ganho em termos de desempenho computacional, especialmente para modelos regionais.
FEFLOW é um exemplo de modelo que aplica elementos finitos para simular fluxos de águas subterrâneas, transporte de massa e calor, como fenômenos combinados ou separados. O software é capaz de simular fluxos em meios saturados ou variavelmente saturados. As aplicações mais usuais são para modelagem em áreas de mineração com geologias complexas; simulação de transporte de multi-contaminantes reativos e remediação; fluxo com densidades variáves, como intrusão de cunhas salinas.
Em compensação, pela complexidade e quantidade de informações, a curva inicial de aprendizado com o FEFLOW é maior. Usuários reconhecem que o método de elementos finitos não é tão intuitivo e leva mais tempo para ser dominado.
Malha não-estruturada - FEFLOW. © DHI
A verdade é que profissionais que lidam com modelagem de águas subterrâneas devem conhecer os dois métodos e ter familiaridade com as ferramentas mais comuns. Isto vai possibilitar a adoção do software ideal para cada situação, proporcionando ganhos em termos de qualidade e tempo de duração de um projeto de modelagem.
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