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Submitted by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2021-05-07T11:14:24Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_Marcelle_Martins_Vargas.pdf: 8628354 bytes, checksum: 29b30b20f685d35e584424cff6478fb3 (MD5) Approved for entry into archive by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2021-05-08T13:49:58Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertacao_Marcelle_Martins_Vargas.pdf: 8628354 bytes, checksum: 29b30b20f685d35e584424cff6478fb3 (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Made available in DSpace on 2021-05-08T13:49:58Z (GMT). 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A principal contribuição deste estudo foi implementar o modelo LASH em linguagem MATrix LABoratory (MATLAB®), aprimorar seus módulos de propagação de cheias em rios e de calibração, e testá-lo como estudo de caso na bacia hidrográfica do rio Camaquã (BHRC), a qual possui um comitê e um plano de bacias hidrográficas associado. No capítulo 1, foram exploradas a concepção do LASH em MATLAB®, a implementação do módulo de propagação de vazões em rios de acordo com o método da Onda Cinemática e a inserção de um algoritmo de calibração multiobjetivo, o A Multi-Algorithm Genetically Adaptive Multiobjective (AMALGAM). Ao contrário do capítulo 1, em que foi realizada uma abordagem mais técnica e computacional, o capítulo 2 foi pautado na aplicação do LASH estruturado em MATLAB®, tendo como estudo de caso a BHRC. E ainda, dois cenários de calibração foram avaliados: i) cenário 1: parâmetros calibráveis do LASH concentrados e; ii) cenário 2: espacialização dos parâmetros lambda (λ) e tempo de resposta do reservatório superficial (CS) por sub-bacia. Os resultados do capítulo 1 permitiram constatar os ganhos da estruturação do modelo em linguagem MATLAB®, principalmente no que concerne: i) ao módulo de propagação da onda de cheias baseado na Onda Cinemática; ii) à facilidade do acoplamento do algoritmo de calibração multiobjetivo AMALGAM; iii) aos artifícios computacionais implementados para otimizar o tempo de processamento do modelo; e iv) à facilidade de alteração, atualização e ampliação do script, sendo o grande gargalo da implementação do LASH em MATLAB®. No tocante aos resultados do capítulo 2, estes foram satisfatórios e foi possível inferir que: i) a formulação do LASH em MATLAB® trouxe uma melhoria do módulo de propagação de vazões em rios, adicionando uma estrutura com viés mais hidráulico ao modelo, e viabilizou a implementação do cenário 2; ii) o cenário 2 permitiu realizar discussões acerca da heterogeneidade de regiões presentes na BHRC e do impacto das espacialização dos parâmetros λ e CS sobre a modelagem hidrológica na BHRC, sendo uma ferramenta poderosa na gestão dos recursos hídricos; iii) a implementação do AMALGAM permitiu conduzir comparações em relação ao Shuffled Complex Evolution (SCE-UA), e apresentou ligeira superioridade nas calibrações para as funções objetivo utilizadas; iv) a utilização do AMALGAM tem potencial para diminuir as incertezas e equifinalidade relacionadas aos parâmetros calibráveis do LASH; e v) a formulação do LASH em MATLAB® trouxe excelentes ganhos, em termos de execução computacional. In view of the current situation of water resources management, studies on watersheds are essential for supporting projects and, when applicable, watershed committees and master plans. In this sense, hydrological models are strongly recommended and, among them, the Lavras Simulation of Hydrology (LASH) has been successfully used in Brazilian watersheds. The main contribution of this study was the implementation of the LASH model in MATrix LABoratory language (MATLAB®), enhancement of its river routing and calibration modules, and its evaluation taking the Camaquã river watershed (CRW) as a case study, which has a watershed committee and a watershed master plan. Chapter 1 addressed technical and computational issues, such as the development of the LASH in MATLAB®, implementation of the river routing module according to the Kinematic Wave method and the insertion of a multi-objective optimization algorithm, known as A Multi-Algorithm Genetically Adaptive Multiobjective (AMALGAM). On the other hand, chapter 2 focused on the evaluation of LASH coded in MATLAB® taking CRW as a case study. Furthermore, two calibration schemes were considered in this study: i) scheme 1: all the LASH parameters were calibrated following a lumped scheme and; ii) scheme 2: two parameters – initial abstraction coefficient (λ) and response time of the surface reservoir (CS) - were calibrated by subwatershed. The results of chapter 1 evidenced some benefits of coding the model in MATLAB® language, mainly with regard to the: i) river routing module based on the Kinematic Wave method; ii) ease of coupling the AMALGAM multi-objective calibration algorithm with LASH; iii) computational strategies applied to optimize the model's processing time; and iv) ease of editing, updating and enhancing the script, which are considered the the major strength in the implementation of LASH in MATLAB®. The results of chapter 2 were satisfactory and allowed to infer that the: i) formulation of LASH in MATLAB® improved the river routing, adding a hydraulic structure to the model, and enabled the implementation and appraisal of scheme 2; ii) scheme 2 made it possible some discussions about both the heterogeneity of regions present in CRW and the impact of spatialization of λ and CS on hydrological modeling at CRW, such that this scheme can be considered as a powerful tool for the water resources management; iii) implementation of AMALGAM along with LASH allowed comparisons between it and the Shuffled Complex Evolution (SCE-UA), such that the former algorithm presented a slightly superior performance for the objective functions used; iv) use of AMALGAM has the potential to reduce the level of uncertainties and equifinality related to the LASH calibration parameters; and v) formulation of LASH in MATLAB® brought excellent benefits in terms of computational performance.

A infiltração é um dos principais processos do ciclo hidrológico, no qual se delimita a água que penetra no solo e escoa na superfície. A característica principal da urbanização é a alteração do uso do solo, pela inserção de superfícies impermeáveis e da modificação das condições naturais do solo. Com isso, o processo de separação do escoamento se modifica e as consequências sobre o escoamento superficial são a diminuição do tempo ao pico, aumento da vazão de pico e do volume escoado. Para caracterizar os mudanças que ocorrem no escoamento e na infiltração em áreas urbanas se utilizou a técnica de simulação de chuva. O simulador se constitui de uma torre de aproximadamente 4 m de altura, onde um aspersor com movimento pendular precipita água sobre uma parcela de 1 m². A chuva simulada foi uma chuva de projeto, de alta intensidade e pequena duração, para a cidade de Porto Alegre, correspondendo à situação mais crítica para áreas urbanas. As superfícies analisadas foram: gramado, rua antiga pavimentada com paralelepípedo, rua nova pavimentada com paralelepípedo, rua nova pavimentada com blocos de concreto tipo "Pavi S" e rua de chão batido. As simulações de chuva possibilitaram a obtenção de dois produtos: 1) a curva de infiltração representativa da superfície; 2) os parâmetros do escoamento superficial. Utilizando a curva de infiltração da grama para efetuar as perdas na chuva e o escoamento superficial modelado com a onda cinemática numérica, o impacto da progressiva impermeabilização foi avaliado num lote urbano de 360 m², com uma taxa de edificação de 56%, típica de Porto Alegre. Visando empreender o conceito de redução dos efeitos na fonte do problema, verificou-se o comportamento de microreservatórios interiores ao lote para minimização do impacto da impermeabilização. Infiltration is one of the main processes in the hydrological cycle, determining the proportion of rainfall that penetrates in the soil and moves down over the surface. The major impacts of urbanization is the change in land use by introducing impervious surfaces and modifying the natural soil conditions. Thus, the flow separation process is modified, and the consequences for surface runoff are: reduction of time to peak, increased peak discharge and runoff volume. In order to quantify changes on infiltration and surface runoff in urban areas, rainfall simulation was used. The simulator is a tower, approximately 4m tall, where a sprinkler with a pendular motion pours water on a 1m² plot. The simulated rain was a high intensity, short duration design rainfall, for the city of Porto Alegre, corresponding to the most critical situation ip urban areas. The surfaces studied were: garden lawn, old street paved with granite bricks, new street paved with granite bricks, new street paved with industrial concrete bricks and street unpaved. The rainfall simulation made possible to obtain: 1) the representative infiltration curve of the surfaces; 2) the surface runoff parameters. Based on these elements the impact of the progressive impermeabilization was found in a 360 m² urban lot, with a building rate of 56%, typical of Porto Alegre. Using de concept of source control, the behavior of microreservoirs located downslope in the plot were verified.