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Publicação
Addressing water resources concerns in forest management models: a case study in Portugal
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Resumo(s)
Water is one of the most important resources in forests. Forest management has a direct impact on water quality and its availability. Thus, forest management planning should be carefully accomplished. This study addressed forest management models incorporating water resources indicators. A strategic forest planning was carried out, considering Eucalyptus globulus Labill. species in a forest situated in Central Portugal. The hypothesis of the present study is that the runoff reduction reduces the financial indicator. Pareto efficient curve and metrics to link a reference point to the nearer solution were presented. For that, a general linear goal programming structure was proposed, from which five models were derived: two financial-based models; two models to minimize extreme runoff events; and one model to minimize the total runoff. Equations for annual runoff estimations were fitted. Results confirmed that the runoff reduction affects SEV. It was further verified that: SEV was decreased by the inclusion of constraint on non-decreasing timber flows; the runoff was higher when more timber was harvested; harvesting postponement and a smaller harvested area was noticed when runoffs were minimized. Substantial reduction of runoff cost only 1.44 Euro m-3, but its minimization raised it to 5.40 Euros m-3. The metrics indicated that solution should be chosen close to the ideal point at a lower cost, if the decision maker assigns the same importance either to financial indicator or to runoff. The same results were obtained among models that minimize extreme runoff events.
As florestas podem fornecer recursos valiosos para os seres vivos, tais como: madeira, habitat, oportunidade de recreio, beleza visual, frutas, flores, cascas, ramos, folhas, sequestro de carbono e fauna. Contudo, um recurso natural pode ser considerado o mais relevante para a humanidade: a água. A sobrevivência dos seres vivos depende da qualidade e disponibilidade da água, os quais podem ser directamente afectados pela gestão florestal. Desta forma, o plano de gestão florestal e as operações inerentes devem ser cuidadosamente implementados. Este estudo tratou da optimização da gestão florestal, tendo em conta a protecção dos recursos hídricos. Em Portugal, 19% da área florestal é ocupada pela espécie Eucalyptus globulus Labill., totalizando uma área de 647.000 ha. Esta é uma espécie relevante para produção de pasta de papel e papel em Portugal, em que 90% e 77% são destinados a exportação, respectivamente; o que a torna numa espécie interessante para casos de estudo. A água da chuva que chega à rede hidrográfica é resultante do escoamento, o qual pode transportar sedimentos e prejudicar a qualidade da água. Há estudos que indicam um aumento de escoamento em períodos imediatamente seguintes ao corte de eucaliptos. Adicionalmente, outros estudos indicam que o volume de madeira em pé no eucaliptal está negativamente correlacionado com o escoamento. Na literatura, encontram-se propostas de investigação sobre optimização de volume de madeira e escoamento, especialmente através de programação por metas. No momento presente, verificam-se poucos trabalhos a tratar deste assunto, provavelmente devido a dados inexistentes e dificuldades na modelação do sistema floresta-água, tendo em conta efeitos temporais e espaciais. Apesar de haver alguns estudos a tratar deste tema, estes foram aplicados a locais em condições diferentes daquelas verificadas em Portugal. Este estudo tem como objectivo optimizar o valor esperado do solo e recursos hídricos, em uma floresta de eucaliptos situada no centro de Portugal. Para tal, um modelo geral de programação por metas é proposto, do qual cinco modelos são extraídos. A principal hipótese do estudo é que uma redução de escoamento afecte o valor esperado do solo. O fundamento desta hipótese é que, se uma redução de escoamento for possível, isso poderá exigir um menor volume de madeira cortado, o que por sua vez poderá reduzir o valor esperado do solo. Uma solução diferente entre os modelos que minimizam o escoamento anual máximo e aumento máximo de escoamento é esperada. Acredita-se que a inclusão de restrições para os fluxos não-decrescentes de madeira reduza o valor esperado do solo. São esperados um maior volume de escoamento, caso um maior volume de madeira seja cortado, bem como uma menor área cortada, quando o escoamento total é minimizado. Os dados da área de estudo foram obtidos de um sistema de gestão de base de dados fornecido pelo Centro de Estudos Florestais (CEF), Instituto Superior de Agronomia da Universidade Técnica de Lisboa. A espécie tratada foi Eucalyptus globulus numa floresta com 11.873 ha de dimensão, a qual foi dividida em 1.000 povoamentos puros e regulares. A madeira cortada foi o produto de venda considerado, enquanto o corte raso foi o método de corte aplicado. Os custos estiveram relacionados com as actividades florestais consideradas: plantação, corte, monda, limpeza de matos, fertilização, remoção das toiças. O horizonte de planeamento foi de 21 anos, em que a análise foi feita anualmente. O estudo incluiu 49.872 prescrições, cada uma representou um conjunto de actividades florestais implementadas ao longo dos anos. As prescrições foram feitas pelo CEF. Até 3 rotações foram consideradas, enquanto a idade possível de corte pertenceu ao intervalo [9, 13] anos. Dois modelos empíricos para determinar o escoamento foram ajustados: um para o alto-fuste e outro para as talhadias. O método dos mínimos quadrados foi aplicado. A variável dependente foi o escoamento anual (mm), enquanto as variáveis independentes consideradas foram: precipitação anual (mm) e idade das árvores (em anos). Um modelo geral de programação linear por metas foi proposto, o qual incluiu na função objectivo o valor esperado do solo, o escoamento total, o escoamento anual máximo e o aumento anual máximo de escoamento. Como restrições apresentaram-se aquelas relativas a: afectação total da área dos povoamentos às prescrições, fluxos anuais de madeira não-decrescentes, fluxos anuais de lucro não-decrescentes, escoamento anual máximo, aumento anual máximo de escoamento, escoamento total e de não-negatividade das variáveis. As variáveis de contagem apresentadas no modelo estiveram associadas a: volumes de madeira cortados anualmente, lucros anuais, escoamentos anuais. Cinco modelos foram obtidos do modelo geral acima referido. Cada um representa uma estratégia de gestão florestal e seus resultados não devem ser directamente comparados. O modelo OR1 visou maximizar o valor esperado do solo. OR2 fez o mesmo que o anterior, mas restrições sobre fluxos de madeira não-decrescentes foram adicionadas. OR3 tratou da minimização do escoamento total. OR4 minimiza o escoamento anual máximo, enquanto o modelo OR5 tratou da minimização do aumento anual máximo de escoamento. A construção de um programa para obter formulações foi necessária. Este importa dados, formula o problema e exporta-o em formato texto. Os programas informáticos utilizados neste estudo foram: ArcGIS para editar o mapa da área de estudo; CPLEX para resolver os problemas de investigação operacional; Microsoft Access 2007 para guardar os dados e cruzá-los de forma a obter os coeficientes; Microsoft Excel 2007 para ajustar os modelos de escoamento e organizar soluções; e Visual Basic.NET 2008 para construção do programa de formulação referido no início do parágrafo. Os resultados apresentaram valores óptimos dos modelos, valores anuais para volume de madeira cortada, lucro, escoamento e idade da floresta ponderada pela área. A área cortada foi apresentada por ano de corte, rotação e modelo. A curva de soluções não-dominadas entre o valor esperado do solo e escoamento total foi apresentada, bem como os valores óptimos mais próximos do ponto de referência (ponto ideal), segundo as métricas consideradas. Uma análise pós-óptima foi realizada através da relaxação das restrições de volume de madeira cortada e lucro, separadamente. A hipótese do estudo foi confirmada. A curva de soluções não-dominadas indicou que o escoamento total pode ser reduzido sem significativas reduções do valor esperado do solo. No entanto, a minimização do escoamento total provocou uma redução substancial deste indicador financeiro. O custo passou de 1,44 Euros m-3 para 5,40 Euros m-3. As métricas consideradas indicaram que soluções próximas ao ponto ideal devem ser escolhidas ao menor custo, caso o agente de decisão atribua a mesma importância quer ao valor esperado do solo quer ao escoamento total. Algumas limitações podem ser identificadas no estudo. O valor esperado de solo incluiu volumes de madeira sobrestimados. Não se teve em conta os tipos de solo, efeitos espaciais e temporais para estimação do escoamento. O número de dados para estimação deste foi reduzido. Como esperado, a introdução das restrições de fluxos de madeira não-decrescentes reduziu o valor esperado do solo em 7%. O escoamento total foi maior quanto se cortou mais madeira, mas isso não ocorreu com baixas precipitações e no último ano do horizonte de planeamento. Os resultados dos modelos que incorporam preocupações hídricas sugeriram um adiamento de cortes, enquanto o modelo que minimiza o escoamento total cortou a menor área. Contudo, os modelos que minimizam o escoamento anual máximo e aumento anual máximo de escoamento produziram os mesmos resultados, o que não era esperado. A análise pós-óptima indicou um menor volume total de escoamento, quanto mais relaxadas estivessem as restrições de fluxos não-decrescentes de madeira ou lucro. O modelo que minimiza o escoamento total forneceu valores óptimos dos modelos relativos aos eventos extremos de escoamento. Contudo, minimizar o escoamento total não correspondeu a minimizar o valor esperado do solo. Seria valioso se futuras investigações estruturassem melhor o problema e melhores indicadores de qualidade e quantidade da água fossem incorporados em modelos de gestão florestal. Equações que tivessem em conta tipos de solo, bem como efeitos temporais e espaciais seriam determinantes para uma melhor compreensão do efeito da gestão florestal nos recursos hídricos. Mais estudos que incluíssem modelos que minimizam o escoamento anual máximo e aumento anual máximo de escoamento seriam úteis para confirmar se são modelos que produzem resultados iguais.
As florestas podem fornecer recursos valiosos para os seres vivos, tais como: madeira, habitat, oportunidade de recreio, beleza visual, frutas, flores, cascas, ramos, folhas, sequestro de carbono e fauna. Contudo, um recurso natural pode ser considerado o mais relevante para a humanidade: a água. A sobrevivência dos seres vivos depende da qualidade e disponibilidade da água, os quais podem ser directamente afectados pela gestão florestal. Desta forma, o plano de gestão florestal e as operações inerentes devem ser cuidadosamente implementados. Este estudo tratou da optimização da gestão florestal, tendo em conta a protecção dos recursos hídricos. Em Portugal, 19% da área florestal é ocupada pela espécie Eucalyptus globulus Labill., totalizando uma área de 647.000 ha. Esta é uma espécie relevante para produção de pasta de papel e papel em Portugal, em que 90% e 77% são destinados a exportação, respectivamente; o que a torna numa espécie interessante para casos de estudo. A água da chuva que chega à rede hidrográfica é resultante do escoamento, o qual pode transportar sedimentos e prejudicar a qualidade da água. Há estudos que indicam um aumento de escoamento em períodos imediatamente seguintes ao corte de eucaliptos. Adicionalmente, outros estudos indicam que o volume de madeira em pé no eucaliptal está negativamente correlacionado com o escoamento. Na literatura, encontram-se propostas de investigação sobre optimização de volume de madeira e escoamento, especialmente através de programação por metas. No momento presente, verificam-se poucos trabalhos a tratar deste assunto, provavelmente devido a dados inexistentes e dificuldades na modelação do sistema floresta-água, tendo em conta efeitos temporais e espaciais. Apesar de haver alguns estudos a tratar deste tema, estes foram aplicados a locais em condições diferentes daquelas verificadas em Portugal. Este estudo tem como objectivo optimizar o valor esperado do solo e recursos hídricos, em uma floresta de eucaliptos situada no centro de Portugal. Para tal, um modelo geral de programação por metas é proposto, do qual cinco modelos são extraídos. A principal hipótese do estudo é que uma redução de escoamento afecte o valor esperado do solo. O fundamento desta hipótese é que, se uma redução de escoamento for possível, isso poderá exigir um menor volume de madeira cortado, o que por sua vez poderá reduzir o valor esperado do solo. Uma solução diferente entre os modelos que minimizam o escoamento anual máximo e aumento máximo de escoamento é esperada. Acredita-se que a inclusão de restrições para os fluxos não-decrescentes de madeira reduza o valor esperado do solo. São esperados um maior volume de escoamento, caso um maior volume de madeira seja cortado, bem como uma menor área cortada, quando o escoamento total é minimizado. Os dados da área de estudo foram obtidos de um sistema de gestão de base de dados fornecido pelo Centro de Estudos Florestais (CEF), Instituto Superior de Agronomia da Universidade Técnica de Lisboa. A espécie tratada foi Eucalyptus globulus numa floresta com 11.873 ha de dimensão, a qual foi dividida em 1.000 povoamentos puros e regulares. A madeira cortada foi o produto de venda considerado, enquanto o corte raso foi o método de corte aplicado. Os custos estiveram relacionados com as actividades florestais consideradas: plantação, corte, monda, limpeza de matos, fertilização, remoção das toiças. O horizonte de planeamento foi de 21 anos, em que a análise foi feita anualmente. O estudo incluiu 49.872 prescrições, cada uma representou um conjunto de actividades florestais implementadas ao longo dos anos. As prescrições foram feitas pelo CEF. Até 3 rotações foram consideradas, enquanto a idade possível de corte pertenceu ao intervalo [9, 13] anos. Dois modelos empíricos para determinar o escoamento foram ajustados: um para o alto-fuste e outro para as talhadias. O método dos mínimos quadrados foi aplicado. A variável dependente foi o escoamento anual (mm), enquanto as variáveis independentes consideradas foram: precipitação anual (mm) e idade das árvores (em anos). Um modelo geral de programação linear por metas foi proposto, o qual incluiu na função objectivo o valor esperado do solo, o escoamento total, o escoamento anual máximo e o aumento anual máximo de escoamento. Como restrições apresentaram-se aquelas relativas a: afectação total da área dos povoamentos às prescrições, fluxos anuais de madeira não-decrescentes, fluxos anuais de lucro não-decrescentes, escoamento anual máximo, aumento anual máximo de escoamento, escoamento total e de não-negatividade das variáveis. As variáveis de contagem apresentadas no modelo estiveram associadas a: volumes de madeira cortados anualmente, lucros anuais, escoamentos anuais. Cinco modelos foram obtidos do modelo geral acima referido. Cada um representa uma estratégia de gestão florestal e seus resultados não devem ser directamente comparados. O modelo OR1 visou maximizar o valor esperado do solo. OR2 fez o mesmo que o anterior, mas restrições sobre fluxos de madeira não-decrescentes foram adicionadas. OR3 tratou da minimização do escoamento total. OR4 minimiza o escoamento anual máximo, enquanto o modelo OR5 tratou da minimização do aumento anual máximo de escoamento. A construção de um programa para obter formulações foi necessária. Este importa dados, formula o problema e exporta-o em formato texto. Os programas informáticos utilizados neste estudo foram: ArcGIS para editar o mapa da área de estudo; CPLEX para resolver os problemas de investigação operacional; Microsoft Access 2007 para guardar os dados e cruzá-los de forma a obter os coeficientes; Microsoft Excel 2007 para ajustar os modelos de escoamento e organizar soluções; e Visual Basic.NET 2008 para construção do programa de formulação referido no início do parágrafo. Os resultados apresentaram valores óptimos dos modelos, valores anuais para volume de madeira cortada, lucro, escoamento e idade da floresta ponderada pela área. A área cortada foi apresentada por ano de corte, rotação e modelo. A curva de soluções não-dominadas entre o valor esperado do solo e escoamento total foi apresentada, bem como os valores óptimos mais próximos do ponto de referência (ponto ideal), segundo as métricas consideradas. Uma análise pós-óptima foi realizada através da relaxação das restrições de volume de madeira cortada e lucro, separadamente. A hipótese do estudo foi confirmada. A curva de soluções não-dominadas indicou que o escoamento total pode ser reduzido sem significativas reduções do valor esperado do solo. No entanto, a minimização do escoamento total provocou uma redução substancial deste indicador financeiro. O custo passou de 1,44 Euros m-3 para 5,40 Euros m-3. As métricas consideradas indicaram que soluções próximas ao ponto ideal devem ser escolhidas ao menor custo, caso o agente de decisão atribua a mesma importância quer ao valor esperado do solo quer ao escoamento total. Algumas limitações podem ser identificadas no estudo. O valor esperado de solo incluiu volumes de madeira sobrestimados. Não se teve em conta os tipos de solo, efeitos espaciais e temporais para estimação do escoamento. O número de dados para estimação deste foi reduzido. Como esperado, a introdução das restrições de fluxos de madeira não-decrescentes reduziu o valor esperado do solo em 7%. O escoamento total foi maior quanto se cortou mais madeira, mas isso não ocorreu com baixas precipitações e no último ano do horizonte de planeamento. Os resultados dos modelos que incorporam preocupações hídricas sugeriram um adiamento de cortes, enquanto o modelo que minimiza o escoamento total cortou a menor área. Contudo, os modelos que minimizam o escoamento anual máximo e aumento anual máximo de escoamento produziram os mesmos resultados, o que não era esperado. A análise pós-óptima indicou um menor volume total de escoamento, quanto mais relaxadas estivessem as restrições de fluxos não-decrescentes de madeira ou lucro. O modelo que minimiza o escoamento total forneceu valores óptimos dos modelos relativos aos eventos extremos de escoamento. Contudo, minimizar o escoamento total não correspondeu a minimizar o valor esperado do solo. Seria valioso se futuras investigações estruturassem melhor o problema e melhores indicadores de qualidade e quantidade da água fossem incorporados em modelos de gestão florestal. Equações que tivessem em conta tipos de solo, bem como efeitos temporais e espaciais seriam determinantes para uma melhor compreensão do efeito da gestão florestal nos recursos hídricos. Mais estudos que incluíssem modelos que minimizam o escoamento anual máximo e aumento anual máximo de escoamento seriam úteis para confirmar se são modelos que produzem resultados iguais.
Descrição
Tese de mestrado em Investigação Operacional, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2011
Errata disponível em papel
Errata disponível em papel
Palavras-chave
Programação linear Programação por metas Modelos de gestão florestal Escoamento Eucalyptus globulus Labill Teses de mestrado - 2011