Calibração de modelo de qualidade da água para rio utilizando algoritmo genético

Abstract

Resumo: No presente trabalho foram desenvolvidas, em linguagem de programação FORTRAN, rotinas de algoritmo genético para a calibração de um modelo de qualidade da água que considera geometria unidimensional e movimento permanente, onde estão inseridos, para o cálculo da concentração de DBO (Demanda Bioquímica de Oxigênio) e OD (Oxigênio Dissolvido), termos referentes à degradação e sedimentação da MO, demanda bentônica de oxigênio, além de reaeração atmosférica. Em relação à configuração do algoritmo genético, optou-se por utilizar a representação real; seleção por torneio; cruzamento aritmético; e mutação uniforme. Com esta configuração foram realizados estudos de caso visando analisar o potencial do algoritmo desenvolvido. Inicialmente, atenção foi dada para avaliar a probabilidade de mutação ótima em função do número de variáveis de uma função a ser otimizada. Em uma segunda fase, o modelo de qualidade da água foi calibrado para 3 rios hipotéticos, para os quais se conheciam as soluções analíticas. Os testes indicaram a estabilidade, consistência e robustez das soluções produzidas pelo algoritmo de calibração. Adicionalmente, utilizou-se o mesmo modelo para casos reais, com dados de monitoramento de DBO e OD para os rios Palmital e Iguaçu, ambos na Região Metropolitana de Curitiba. Os resultados novamente destacam o potencial da metodologia proposta, com a calibração dos parâmetros do modelo que ajustaram a concentração calculada à monitorada. Cabe destacar que esta aplicação a casos reais consiste na principal contribuição desta pesquisa, em especial no contexto da literatura nacional.

Abstract: In this research genetic algorithm (GA) routines were developed to be employed on water quality model calibration for rivers. This one-dimensional steady state model, used to calculate biochemical oxygen demand (BOD), and dissolved oxygen (DO), is composed by terms related to degradation and sedimentation of organic matter, including atmospheric reaeration. The genetic algorithm configuration considered: real parameter representation; tournament selection; arithmetic crossover; uniform mutation. At first, was carried out a study to verify the best mutation probability related to the number of decision variables. After that, the method was applied to calibrate 3 hypothetical rivers, for which analytical solutions were known. The results indicated stability and robustness of the calibration algorithm. Additionally, the same algorithm was used on calibration model for Palmital and Iguaçu Rivers, both located on Metropolitan Region of Curitiba. The model parameters that fitted the calculated BOD and DO concentration to the monitored ones were found, indicating, one more time, the potential of the proposed calibration method. It is important to state that real rivers applications are the main contribution of this research, especially on the national literature context.