Programas de monitoramento emergencial de qualidade da água : redesign de rede através de métodos baseados na Entropia de Shannon

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

Título alternativo

Emergency water quality monitoring programs: network redesign using Shannon Entropy-based methods

Membros da banca

Eber José de Andrade Pinto
Gilmare Antônia da Silva
Sergio Koide
Alberto de Freitas Castro Fonseca

Resumo

A ocorrência de desastres ambientais de grande escala colocou a gestão ambiental, especialmente a gestão de recursos hídricos, no centro das atenções em todo o mundo. Dependendo da dimensão dos impactos e de sua extensão geográfica, o processo de recuperação ambiental torna-se bastante complexo e desafiante, exigindo muitas vezes a construção de soluções que não estão prontamente disponíveis. No caso da gestão de recursos hídricos, toda a cadeia de ações necessárias à recuperação dos ecossistemas impactados passa pelo estabelecimento de programas e redes de monitoramento da qualidade da água. Apesar de sua importância, as redes de monitoramento emergencial têm sido pouco exploradas nos estudos voltados ao redesign (redimensionamento) de redes de monitoramento. Menor ainda, tem sido o uso de abordagens baseadas na Entropia de Shannon, embora haja grande potencial para seu uso. Esta pesquisa avaliou a adequação de métodos para o redimensionamento de redes de monitoramento, baseados na Entropia de Shannon, visando subsidiar o aprimoramento de programas de monitoramento emergencial de qualidade da água em bacias impactadas por desastres ambientais. A bacia do Rio Doce, impactada pelo rompimento de uma barragem de rejeitos de mineração compreendeu o estudo de caso. Foram aplicados métodos calcados na análise do conteúdo de informação através da entropia de Shannon. A segmentação da bacia, por meio de análise de cluster, proporcionou a incorporação de características socioambientais subjacentes das subregiões nas análises, além de reduzir a complexidade dos problemas de otimização. Contudo, impôs a necessidade de se evidenciar de forma mais clara a efetividade do método e o efeito da segmentação da redes. “Variáveis não-críticas” foram selecionadas em proporção que variou de 32 a 50% em cada sub-região na bacia do Rio Doce, ilustrando oportunidades para redução da frequência de monitoramento dessas variáveis. Além disso, a entropia de Shannon foi capaz de capturar a variabilidade espaço-temporal do conteúdo de informação das variáveis, mesmo daquelas que podem estar em proporção muito pequena no ambiente. Os métodos de otimização da rede aplicados demonstraram potencial para redução de 20% das estações, sem prejuízo à geração da informação útil à gestão da qualidade da água. Contudo, os resultados sugerem que o método de otimização proposto demanda aprimoramento para melhorar seu desempenho em redes com número expressivo de estações e torná-lo mais objetivo. Tomadores de decisão podem encontrar nesses métodos estratégias de apoio ao gerenciamento de programas de monitoramento emergencial de qualidade da água, podendo melhorar o desempenho das redes e a relação custo-benefício da geração dos dados.

Abstract

The occurrence of large-scale environmental disasters has placed environmental management, particularly water resource management, at the forefront of global attention. Depending on the magnitude of the impacts and their geographical extent, the process of environmental recovery becomes quite complex and challenging, often requiring the development of solutions that are not readily available. In the case of water resource management, the entire chain of actions necessary for the recovery of impacted ecosystems involves establishing programs and networks for monitoring water quality. Despite its importance, emergency monitoring networks have been underexplored in studies focused on resizing monitoring networks. Even less common has been the use of approaches based on Shannon’s Entropy, although there is significant potential for its application. This research evaluated the suitability of methods for resizing monitoring networks based on Shannon’s Entropy, aiming to support the enhancement of emergency water quality monitoring programs in watersheds affected by environmental disasters. The study case focused on the Doce River watershed, which was impacted by the rupture of a mining waste dam. Methods based on the analysis of the information content of water quality variables monitored by an emergency network were applied to select the set of variables referred to as "non-critical." Furthermore, through the application of an original optimization methodology, an effort was made to select the set of stations corresponding to the arrangement of the best performing network. The prior segmentation of the watershed, through cluster analysis, allowed for the incorporation of underlying socio-environmental characteristics of the sub-regions into the analyses, in addition to reducing the complexity of the optimization problems. However, it imposed the necessity to clearly demonstrate the effectiveness of the method and the impact of segmenting the networks. "Non-critical variables" were selected in proportions ranging from 32% to 50% in each sub-region of the Doce River watershed, illustrating opportunities to reduce the frequency of monitoring these variables. The implemented methodology was able to capture the spatiotemporal variability of the informational content of the variables, even those that may be present in very small proportions in the environment. Regarding the spatial configuration of the analyzed network, there is potential for a 20% reduction of the stations, without compromising the generation of useful information for water quality management. However, the results suggest that the proposed optimization method requires improvement to enhance its performance in networks with a significant number of stations and to make it more objective. Decision-makers may find in these methods strategies to support the management of emergency water quality monitoring programs, potentially improving network performance and the cost-benefit ratio of data generation.

Assunto

Engenharia sanitária, Recursos hídricos - Desenvolvimento, Desastres ambientais, Monitoramento eletrônico, Entropia (Teoria da informação), Doce, Rio, Bacia (MG e ES)

Palavras-chave

Redes de monitoramento emergencial da qualidade da água, Variáveis não-críticas de qualidade da água, Bacia do Rio Doce, Desastres ambientais, Configuração espacial de redes de monitoramento

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