Modelagem de Sistemas Ambientais

MODELAGEM DE SISTEMAS AMBIENTAIS

CAPÍTULO 1 – SISTEMAS E MODELOS

I - AS ABORDAGENS HOLÍSTICAS E REDUCIONISTAS  Os proce procedim diment entos os metodo metodológ lógico icoss utiliz utilizado adoss na anális análisee dos fenôme fenômenos nos estão 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 instrumentaão tecnológica tecnológica para a coleta de informa!es e efetiva aão anal"tica. O desenvolvimento tecnológico possibilita a produão de novos equipamentos mais capazes e adequados #s pesquisas cient"ficas$ favorecendo ampliar a obtenão de dados$ a compreensão$ compreensão$ o diagnóstico e o manejo dos sistemas de organizaão organizaão comple%a. As perspectivas envolvendo a análise ecológica$ a geografia e a ambiental englobam estudos considerando a comple%idade do sistema e estudo das suas partes componentes. A abordagem hol"stica sist&mica ' necessária para compreender como as entidades ambientais f"sicas$ por e%emplo$ e%pressando(se em organiza!es espaciais$ se estruturam e funcionam como como difere diferente ntess unida unidades des comple comple%as %as em si mesma mesmass e na hierar hierarqui quiaa de aninh aninhame amento nto.. )imu )imult lt*n *nea ea e inte intera rati tiva vame ment ntee há nece necess ssid idad adee de foca focali liza zarr os subc subcon onju junt ntos os e part partes es componentes em cada uma delas$ a fim de melhor conhecer seus aspectos e as rela!es entre eles. A abordagem reducionista tamb'm se enquadra como básica na pesquisa dos sistemas ambientais$ sem contraposião com a hol"stica. A + As + As concepções de mundo A signific*ncia e a valorizaão a respeito de meio ambiente estão relacionados a visão de mundo imperante em cada civilizaão$ apresentando inclusive nuanas em seus segme segmento ntoss socio socioec econô onômic micos. os. ,or essa essa razão$ razão$ o relac relacion ioname amento nto entre entre homem homem e o meio meio ambiente possui varia!es de região e ao longo da história. A formaão dessa estrutura conceitual realiza(se de modo difuso ou sistemático$ envolvendo os conhecimentos do senso comum$ o religioso$ o filosófico e o cient"fico. •

-onhecimento religioso a natureza como des"gnio de /eus$ sendo obra pura e  perfeita. 0á o naturalista Ale%andre 1on 2ulboldt$ em decorr&ncia das suas

viagens de estudo$ argumentou longamente para demostrar que a distribuião dos seres vivos na superf"cie da 3erra era e%plicada pela aão climática e não como sendo da vontade divina. •

1isão mecanicista considera no mundo que a organizaão ' composta por  peas elementares e separadas$ mas que interagem em funcionamento similar ao das máquinas$ como se fosse um relógio.

•

-oncepão organicista no *mbito da superf"cie terrestre$ cada unidade regional chega a atingir um estado de equil"brio conforme as condi!es reinantes e funciona de maneira integrada com as demais para compor a individualizaão e a funcionalidade geral no planeta 3erra.

4 + As noções de Unidade, oa!idade e comp!e"idade A unidade representa a qualidade do que ' um 5nico$ só ou sem partes$ sendo tudo o que pode ser considerado individualmente. A totalidade aplica(se #s entidades constru"das por um conjunto de partes e espec"fica$ independente da somatória dos elementos componentes. Inerentemente # totalidade encontra(se a concepão e a análise da comple%idade. Os sistemas comple%os apresentam diversidade de elementos$ encadeamentos$ intera!es flu%os e retroalimentaão compondo uma entidade organizada. 6m sistema comple%o pode ser definido como sendo composto por grande quantidade componentes interatuantes$ capazes de intercambiar informa!es com seu entorno condicionante e capazes$ tamb'm$ de adaptar sua estrutura interna como sendo consequ&ncia s ligadas a tais intera!es. - + Ho!ismo e #educionismo A abordagem anal"tica encontra(se mais desenvolvida nas atividades cient"ficas$ necessária # análise e interpretaão. 7ssa reduão encontra(se contrapartida na s"ntese e na generalizaão. A ci&ncia tem por objetivo e%plicar$ generalizar e determinar as causas$ de modo que as hipóteses sejam formuladas e verificadas atrav's de compara!es e e%perimentos$ e as teorias incluem enunciados e%pressando leis da natureza. 7ssa abordagem

geral ' 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 n"vel hierárquico$ e não em funão do conhecimento adquirido nos componentes de n"vel inferior. Isso significa que ela procura compreender o conjunto mais do que suas partes e sugere que o todo ' maior que a somatória das propriedades e rela!es de suas partes$ pois há o surgimento de novas propriedades que não emergem do conhecimento das suas partes constituintes. 7ssa abordagem ' denominada de hol"stica$ definida como a concepão de que o todo possui propriedades que não podem ser e%plicadas em termos de seus constituintes individuais. II - DE$INI%&O E TI'OLOGIA DE SISTE(AS  )istema ' o conjunto organizado de elementos e de intera!es entre os elementos$  possui uso antigo e difuso no conhecimento cient"fico 8sistema solar9. Os sistemas podem ser classificados como: a9 )istemas isolados são aqueles que$ dadas as condi!es iniciais$ não sofrem mais nenhuma  perda nem recebem energia ou mat'ria do ambiente que os circundam. /essa maneira$ conhecendo(se a quantidade inicial de energia livre e as caracter"sticas da mat'ria$ pode(se calcular e%atamente o evoluir dos sistemas e qual o tempo que decorrerá at' o seu final.  b9 )istemas não isolados mant'm rela!es com os demais sistemas do universo no qual funcionam$ podendo ser subdivididos em fechados e abertos. Os fechados há permuta de energia 8recebimento e perda9. Abertos são aqueles nos quais ocorrem constantes trocas de energia e mat'ria$ tanto recebendo como perdendo 8bacia hidrográfica$ vertente$ homem$ cidade$ ind5stria$ animal$ ...9. ;evando(se em consideraão crit'rios para a comple%idade da composião integrativa -horle< e =enned< 8>?@>9 propuseram uma classificaão estrutura e distinguem onze tipos de sistemas. 7ntre eles$ toda via$ consideram que os mais relevantes para o campo de aão da eografia B"sica e análise ambiental são os quatro primeiros. As defini!es e as caracter"sticas são as seguintes: a9 )istemas morfológicos são compostos somente pela associaão das propriedades f"sicas dos sistemas e de seus elementos componentes$ ligados com os aspectos geom'tricos e de composião$ constituindo os sistemas menos comple%os das estruturas naturais. -orrespondente #s formas comprimento$ altura$ largura$ declividade$ granulometria$

densidade e outras. A coesão e a direão da cone%idade entre tais variáveis são reveladas pela análise de correlaão. 7%emplo a densidade de drenagem ' uma resposta # hidrologia da áreaC a densidade de estradas ' resposta # intensidade demográfica e econômica de uma área.  b9 )istemas em sequ&ncia ou encadeantes são compostos por cadeia de subsistemas$  possuindo tanto grandeza como localizaão espacial$ que são dinamicamente relacionados por uma cascata de mat'ria e energia. O posicionamento dos subsistemas ' cont"guo e nesta sequencia a sa"da 8oupu 9 de mat'ria e energia de um subsistema de localizaão adjacente.  Dos sistemas em sequencia a relev*ncia da análise incide na caracterizaão dos flu%os de mat'ria e energia e nas transforma!es ocorridas em cada subsistema. 7stá focado na relaão entre entrada e sa"da. c9 )istema de processo(resposta são formados pela combinaão 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 &nfase maior está focalizada para identificar as rela!es entre o processo e as formas que dele resultam. 7%emplo aumentar a capacidade de infiltraão de determinada área$ haverá diminuião no escoamento superficial e na densidade da drenagem$ o que reflete na diminuião da declividade das vertentes. d9 )istemas controlados são aqueles que apresentam pela intervenão humana. E1álvulasF sobre as quais o homem pode intervir para produzir modifica!es na distribuião de mat'ria e energia dentro dos sistemas em sequencia e$ consequentemente$ influencias nas formas que eles estão relacionados. III + DE$INI%&O E TI'OS DE (ODELOS  Godelo ' uma estruturaão simplificada da realidade que supostamente apresenta$ de forma generalista$ caracter"sticas ou rela!es importantes. )ão apro%ima!es altamente subjetivas$ por não inclu"rem todas as observa!es ou medidas associadas$ mas são valiosos  por obscurecerem detalhes acidentais e por permitirem o aparecimento dos aspectos fundamentais da realidade. A + Tipo!o)ia de mode!os em Geomo#*o!o)ia >. Godelos análogos naturais tem a finalidade de esclarecer determinada categoria de fenômenos ou sistemas$ traduzindo seus aspectos supostamente importantes ou caracter"sticos

 por meio de uma representaão analógica considerada mais simples$ melhor conhecida ou sob um aspecto mais prontamente observável do que as ocorr&ncias na natureza. ,odendo ser histórico ou espacial. H. 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 intera!es entre elas possam ser e%aminadas convenientemente$ levando a uma poss"vel organizaão completa dos componentes num todo funcional. . Godelos 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$ intera!es entre os elementos e funcionamento interativo entre os inputs e outputs do sistema. O objeto ' 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 flu%o. 4 + A ipo!o)ia p#oposa po# Haines+oun) e 'ec- ./0123 7les procuraram salientar outra definião sobre modelos$ considerando a funcionalidade para a atividade cient"fica$ mostrando que são mecanismos pelos quais as  premissas são usadas para possibilitar conclusão. Gostram que os modelos são instrumentos usados para elaborar predi!es. 4aseia(se nos crit'rios de como são constru"dos e utilizados no teste sobre hipóteses$ considerando se o modelo ' determin"stico ou estocásticoC se o modelo ' parcial ou plenamente especificadoC e se o modelo ' hardJare ou softJare. O primeiro se refere # estrutura com que se organiza o modeloC o segundo quanto aos conte5do emp"ricoC e o terceiro quanto #s condi!es do procedimento usado na modelagem. - + A ipo!o)ia dos mode!os em -id#o!o)ia .Sin)-3 )intetiza a classificaão de modelos utilizados em estudos hidrológicos$ pois são de diferentes tipos e desenvolvimento para objetos diferenciados. / + C!assi*icaç4o dos mode!os de simu!aç4o em -id#o!o)ia

)ão utilizados modelos de s"ntese e de simulaão$ para gerar sequencias artificiais de dados a fim de serem aplicadas na racionalizaão das análises em pesquisa e tomadas de decisão como no conte%to das cheias$ construão de barragens$ sistemas de abastecimento de água e recursos h"dricos. A simulaão ' definida como a descrião matemática da resposta de um sistema hidrológico de recursos h"dricos a uma s'rie de eventos durantes um  predeterminado per"odo de tempo. 7%emplo calcular m'dia diária$ mensal ou anual de escoamento fluvial. Os modelos de s"ntese possuem a potencialidade de ampliar os  procedimentos de simulaão$ sendo utilizados na análise de s'ries temporais com a finalidade de gerar sequencias sint'ticas de dados sobre precipitaão ou escoamento fluvial. 7 + A ipo!o)ia dos mode!os em c!imao!o)ia K simular os processos e produzir os efeitos resultantes nas mudanas e nas intera!es internas. Alguns modelos descrevem o sistema climático em funão dos princ"pios f"sicos$ qu"micos$ biológicos e$ talvez$ tamb'm dos sociais. ,or essa razão$ o modelo climático  pode ser considerado como compreendendo uma s'rie de equa!es que e%pressão essas leis$ devendo ser uma simplificaão do mundo real. Luanto mais comple%a for a representaão$ mais dif"cil se torna o uso do modelo$ at' mesmo em computadores muito velozes$ e os resultados sempre são meras apro%ima!es. B + A ipo!o)ia dos mode!os no campo dos sisemas de in*o#maç4o )eo)#5*ica -onsiderando que o modelo ' a representaão da realidade$ sob forma material ou simbólica$ há duas categorias gerais de modelos a estrutural e a relacional. A primeira focaliza a composião de componentes$ tais como objetos e a!es$ a segunda focaliza a interdepend&ncia e as rela!es entre os fatores e processos$ sob as perspectivas funcional e conceitual. Os modelos no campo dos sistemas de informaão geográfica são de dois tipos  básicos cartográficos e espaciais. Os modelos cartográficos resultam da automaão de t'cnicas manuais que tradicionalmente usam instrumentos de desenho e sobreposião de transpar&ncias 8um mapa identificando localizaão de solos produtivos e vertentes suaves$ usando lógica binária e%pressa como  )eo+6ue#7 8linguagem geográfica99. Os modelos espaciais são e%press!es das rela!es matemáticas entre variáveis mapeadas 8mapa de

aquecimento da superf"cie em funão da temperatura ambiente e da irradiaão solar$ usando lógica multivariada e%pressa como variáveis$ par*metros e rela!es9. CAPÍTULO 2 – CARACTERÍSTICAS POTENCIAL DA MODELAGEM

I + A (ODELAGE( CO(O 'ROCEDI(ENTO NA (ETODOLOGIA CIENTÍ$ICA   A modelagem pode ser considerada como instrumento entre os procedimentos metodológicos da pesquisa cient"fica. A justificativa reside no fato de que a construão de modelos a respeito dos sistemas ambientais representa a e%pressão de uma hipótese cient"fica$ que necessita ser avaliada como sendo enunciado teórico sobre o sistema ambiental focalizado. 7ssa avaliaão configura(se como teste de hipóteses. )ob essa perspectiva$ a construão de modelos pode ser considerada como sendo procedimento inerente # pesquisa cient"fica e a sua elaboraão deve ser realizada acompanhando os crit'rios e normas da metodologia cient"fica. /ois procedimentos gerais são adequados # investigaão na pesquisa cient"fica o indutivo e hipot'tico(dedutivo. a9 A concepão indutiva da investigaão cient"fica foi considerada por muito tempo como o procedimento metodológico geral e clássico das ci&ncias f"sicas e naturais$ e suas  proposi!es iniciais remontam a Brancis 4acon. As etapas estabelecidas nesse procedimento são as seguintes •

Observa!es e coleta de todos os fatos e informa!esC

•

/efinião$ análise e classificaão dos fatos e informa!esC

•

/erivaão indutiva e generalizaão a partir dos fatos e informa!esC

•

1erificaão adicional das generaliza!es$ por meio de novas observa!es e coleta de dadosC

•

-onstruão de leis e teorias.

As observa!es e a coleta de informa!es são necessárias # compreensão cient"fica  por meio # compreensão cient"fica e realizadas por meio de diversas t'cnicas. Atrav's dos  processos de definião$ mensuraão e classificaão os fatos e as informa!es são organizadas e ordenadas em grupos e categorias$ recebendo um determinado grau de organizaão. Da concepão indutiva admite(se e%pressamente que nessas duas etapas iniciais não se faa uso

de qualquer estimativa ou hipótese$ pressupondo que as ideias pr'(concebidas prejudicariam a isenão necessária # objetividade cient"fica da investigaão.  b9 o procedimento hipot'tico(dedutivo surge como algo mais comple%o$ pois considera o conhecimento cient"fico como sendo esp'cie de especulaão controlada. As etapas são interconectadas e refle%ivas e não há nenhuma razão essencial para se comear  pela primeira. O pesquisador não precisa$ necessariamente$ iniciar seu trabalho por uma hipótese ou por uma teoria ou modelo. 7m geral$ a teoria precede a formulaão de hipóteses e de leis$ mas estas logicamente encontram(se conectadas e suportando a teoria. /e modo geral$ as etapas estabelecidas são as seguintes •

-oncepão teórica de como a realidade encontra(se estruturada$ podendo(se então construir modelos a p#io#i. A teoria$ em sua estruturaão lógica$ fornece consist&ncia e um conjunto de enunciados$ assegurando cone%ão entre as no!es abstratas contidas na teoria e na formulaão sobre os fatosC

•

7nunciado de hipóteses$ que fornece uma interpretaão emp"rica a ser verificada com as observa!es e coleta de dados. As hipóteses são deduzidas do corpo teóricoC

•

7m funão da hipótese$ especificar as variáveis relevantes$ coletar os dados  pertinentes$ analisa(los e interpretá(losC

•

)e a hipótese for validada$ passa # categoria de leis$ que se integra na teoria. )e for refutada$ ela pode promover reformulaão da teoria ou proposião de nova teoria. 2á retroalimentaão cont"nua entre teorias$ hipóteses e leisC

•

/esde que a signific*ncia de uma relaão possa ser estabelecida$ ela pode ser testada com dados de qualquer outra área ou sistema. ,or meio desses testes as hipóteses ganham maior validade de reaplicaão$ sendo aceita como generalizaão teórica. Dão se restringindo a uma ocorr&ncia particular$ a um e%emplo 5nico$ o enunciado possui aplicaão geral para a categoria de fenômenos e pode ser referencial para a predião.

-onsiderando que as observa!es sempre são interpretadas # luz de teorias$ pois elas se fazem de modo seletivo$ observa que na pesquisa Enão partimos de observa!es$ mas sempre de problemas ou de quest!es práticas de uma teoria que caiu em dificuldades. 6ma vez que deparamos um problema$ podemos comear a trabalhar neleF. O ponto inicial$  portanto$ ' a presena de um problema ou dificuldade.

 Desse conte%to$ a modelagem de sistemas ambientais insere(se como procedimento metodológico hipot'tico(dedutivo$ pois e%pressa configura!es elaboradas em decorr&ncia de hipóteses ou de e%plica!es. Os modelos são direcionados mais para a categoria$ e a inserão de valores espec"ficos sobre as variáveis dos elementos e suas rela!es descrevem as caracter"sticas e comportamento de um caso particular e sua ajustagem na classe referenciada  pelo modelo. O processo da modelagem ' constitu"do por um conjunto de regras semiformais que guiam o interessado visando a soluão de um problema a construão do modelo. 3ais regras são mec*nicas nem instru!es computacionais$ cujo encaminhamento passo(a(passo venha a ser garantia de chegar ao resultado final e representar &%ito e sucesso do modelo. II + AS CARACTERÍSTICASE $UN%8ES DOS (ODELOS   Da construão de modelos deve(se considerar aspectos envolvidos com as caracter"sticas e fun!es$ que por vezes se entremeiam. )ão aspectos que possibilitam identificar e avaliar a qualidade dos modelos oferecidos$ criando e%ig&ncias mais espec"ficas  para com o cuidado a ser aplicado na modelagem. A + As ca#ace#9sicas dos mode!os As principais caracter"sticas são as seguintes >. )eletividade a caracter"stica fundamental dos modelos ' que sua construão implica numa atitude altamente seletiva quanto #s informa!es$ na qual os ru"dos e os sinais menos importantes são eliminados para permitir que se veja algo do *mago das coisas. H. 7struturaão a construão salienta que os aspectos selecionados da realidade são e%plorados em termos de suas cone%!es. 2á um padrão integrativo entre componentes diferenciados$ considerando as suas caracter"sticas morfológicas e funcionais. Desse sentido$ o modelo procura representar as rela!es propiciadas na din*mica dos processos$ ou na correlaão das variáveis. . 7nunciativo refere(se ao significador enunciativo ou potencial de sugest!es$ pois os modelos bem sucedidos cont&m sugest!es para sua ampliaão e generalizaão. /ois aspectos são inerentes a9 a estruturaão integrativa do modelo pode enunciar ou sugerir que as implica!es do conjunto são maiores do que as possivelmente supostas pelas suas partes individuaisC b9 há o potencial enunciativo para previs!es sobre aspectos no mundo real$

ganhando desse modo o caráter especulativo. Aquele que oferece implica!es suficientemente ricas para sugerir hipóteses e especula!es no campo principal da investigaão. M. )implicidade 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 implica!es que possa ter e da comple%idade necessária para representar com precisão o sistema em estudo. N. Analógicos os modelos são analogias$ porque são diferentes do mundo real e mostrando uma maneira apro%imada de se compreend&(lo. . Peaplicabilidade ' pr'(requisito dos modelos nas ci&ncias emp"ricas. 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. 4 + As *unções dos mode!os A modelagem$ como procedimento t'cnico da abordagem teor'tica visa atender requisitos envolvidos nas diretrizes metodológicas da pesquisa cient"fica. Os modelos são necessários por constitu"rem pontes entre os n"veis da observaão e as proposi!es teóricas. /evem ser constru"dos com objetivos claros$ delineando justamente o que poderiam prever. )emelhantemente aos estudo de campo$ que e%plicitamente surgem como procedimentos de teste para modelos ou hipóteses espec"ficas$ os modelos deveriam ser definidos como instrumentos de previsão para s"tios particulares$ eQou processos particulares em tempos e escalas espaciais devidamente especificados. Os modelos que não tem a possibilidade de serem testados são tão inaceitáveis como as cole!es de dados desestruturados. Os objetivos mais comuns da modelagem são a comunicaão de conceitos e a previsão a curto prazo$  permitindo responder e prever ou comparar previs!es de alternativas como sendo um instrumento de planejamento. 7m virtude dessas finalidades$ pode(se estabelecer que as suas  principais fun!es são as seguintes psicológica$ comunicativa$ promissora$ logicidade$ normativa$ adequaão$ previsibilidade$ simulaão de cenários poss"veis em funão de mudanas ambientais$ relacionar as mensura!es dos processos a curto prazo com a evoluão das formas a longo prazo$ condensaão tempo(espacial$ desenvolver e%plica!es aplicáveis a todas as escalas. III + INSTRU(ENTOS B:SICOS 'ARA A CONSTRU%&O DE (ODELOS