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Understanding how long water is retained in an estuary and how quickly it is completely flushed is essential to estimate an estuary's health in areas with significant pollutant loadings. The present study analyses the effect of five different Tagus River discharge scenarios ranging from low to extreme on residence time (RT), exposure time (ET) and integrated water fractions inside pre-established Tagus estuary areas, to identify its most vulnerable areas to pollution. The 3D version of the MOHID hydrodynamic model coupled to a lagrangian tool was used. The increase of the river discharge generated high current velocities which, in turn, led to an increased rate of tracers leaving the estuary. As a consequence, RT and ET decreased from 59 to 3.5 days under a low and extreme river discharge scenario, respectively. Under a low river discharge, significant differences were observed between RT and ET in the areas located in the main body of the estuary and in the bays. As river discharge increased, RT and ET decreased in all areas of the estuary and those differences faded, with the greatest differences observed in the areas situated along the south margin. In general, results showed that with high river discharges the tracers released in the upper estuary are spread throughout the estuary, but mainly in downstream areas. However, when the river discharge reached exceptionally high values, local eddies were formed, leading to the retention of the tracers in the estuary's south margin and inner bays. The results in this study allowed to identify the most vulnerable areas within the estuary as a function of the river discharge. info:eu-repo/semantics/publishedVersion

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES The hydrodynamic models allow a better characterization of the flow in urban rainwater systems, including the backwater effects. Thus, when used in sizing, they produce more efficient and adequate solutions when compared to those obtained from traditional sizing, such as, for example, from the Manning equation. However, they make the process iterative, since changes in the network propagate both upstream and downstream causing each change to be evaluated individually. This work proposes the automatic method of sizing the drainage network called ECO-SWMM that uses the Storm Water Management Model (SWMM) for hydrodynamic calculation of the network following a set of sizing rules in accordance with the usual drainage calculation rules urban, based on the reports generated by each simulation by SWMM. On the other hand, the designers, due to the scarcity of information from the Brazilian watersheds, especially the urban ones, dimension the water runoff drainage system with input variables whose real values are uncertain, compromising the own design. Previous studies such as Allasia and Villanueva (2007) have already evaluated the impact of uncertainty using the cost of the network as an analysis variable, facilitating the understanding of the results by the responsible one. However, none of them evaluated the impact of uncertainty on a network dimensioned using hydrodynamic modeling, due to the complexity of its dimensioning. Thus, this work has the objective of evaluating the uncertainties in the estimation of the hydrological parameters (CN coefficient, watershed area, watershed concentration time and position of the rainfall peak) in the drainage network design using hydrodynamic modeling. The methodology consisted in varying each parameter individually for hydrological simulation in the Modelo Hidrológico Ecotecnologias (MHE), generating the inlet flows for each node of the network for hydraulic simulation in the SWMM by means of the proposed automatic method (ECO-SWMM), which in turn showed is effective for the design of networks that operate exclusively by gravity and with great potential to helping designers in the sizing of urban drainage. On the other hand, the results of the uncertainty analysis showed results similar to those obtained by Allasia and Villanueva (2007); however, with slightly lower values, indicating the use of hydrodynamic models, even in networks dimensioned by gravity, impacts positively in the reduction of uncertainty. The most sensitive parameter was the CN indicating that changes of 10% in its value, alter approximately 30% in the peak flow and 15% the costs. The watershed area and the watershed concentration time had similar results, presenting around 10% of change for peak flow and 5% of costs for typical changes of their values. Changes in the position of the rainfall peak did not significantly change the flows and cost of the network. Os modelos hidrodinâmicos permitem uma melhor caracterização do escoamento nos sistemas pluviais urbanos, contemplando, inclusive, os efeitos de remanso. Dessa forma, quando utilizados no dimensionamento, produzem soluções mais eficientes e adequadas quando comparadas com aquelas obtidas do dimensionamento tradicional, como por exemplo, a partir da equação de Manning. No entanto, tornam o processo iterativo, uma vez que as alterações na rede se propagam tanto a montante como jusante fazendo com que cada alteração deva ser avaliada individualmente. Esse trabalho propõe o método automático de dimensionamento de rede de drenagem pluvial chamado ECO-SWMM. O método utiliza o modelo Storm Water Management Model (SWMM) para a simulação da rede de drenagem. A partir de uma rede inicial, o ECO-SWMM, de forma iterativa, utiliza as saídas do SWMM para dimensionar a rede de drenagem conforme um conjunto de regras pré-estabelecidas. Por outro lado, os projetistas, devido à escassez de informações das bacias brasileiras, sobretudo as urbanas, dimensionam as redes de macrodrenagem com variáveis de entradas cujos valores reais são incertos, comprometendo o próprio dimensionamento. Trabalhos anteriores como os de Allasia e Villanueva (2007) já avaliaram o impacto da incerteza, utilizando como variável de analise o custo da rede, facilitando o entendimento dos resultados por tomadores de decisão. No entanto, nenhum deles avaliou o impacto da incerteza numa rede dimensionada utilizando modelagem hidrodinâmica, pela complexidade do dimensionamento da mesma. Assim, este trabalho tem por objetivo avaliar os impactos oriundos das incertezas na estimativa dos parâmetros hidrológicos (coeficiente CN, área da bacia, tempo de concentração e da posição do pico de chuva) no dimensionamento de redes de drenagem empregando a modelagem hidrodinâmica. A metodologia consistiu em alterar cada parâmetro individualmente para simulação hidrológica no Modelo Hidrológico Ecotecnologias - MHE, gerando as entradas de vazões em cada nó da rede para simulação hidráulica no SWMM por meio do método automático proposto (ECO-SWMM), que por sua vez mostrou-se eficaz para o dimensionamento de redes que operam exclusivamente por gravidade e com grande potencial para o auxílio dos projetistas no dimensionamento da drenagem urbana. Por outro lado, os resultados da análise da incerteza apontaram resultados similares aos obtidos por Allasia e Villanueva (2007), no entanto, com valores ligeiramente menores, indicando a utilização de modelos hidrodinâmicos, mesmo em redes dimensionadas por gravidade, impacta positivamente na redução da incerteza. O parâmetro mais sensível foi o CN indicando que mudanças de 10% em seu valor, alteram aproximadamente 30% na vazão de pico e 15% os custos. A área e o tempo de concentração tiveram resultados similares, apresentando em torno de 10% de alteração para vazão de pico e 5% nos custos para mudanças típicas dos seus valores. Mudanças na posição do pico de chuva não alteraram significativamente as vazões e custo da rede.

O impacto de um lançamento de efluente na qualidade da água do corpo hídrico depende de características do lançamento e do corpo hídrico, a exemplo de suas condições hidrodinâmicas. O conhecimento das relações entre os fatores envolvidos permite avaliar os riscos envolvidos, alterar a forma de lançamento de efluentes de modo a reduzir seu impacto e reduzir os custos com as formas de controle da poluição, entre outras ações. Nesse contexto, o objetivo deste trabalho é compreender as relações entre os fatores dominantes das condições hidrodinâmicas e a dispersão de poluentes na região nordeste da Laguna dos Patos, buscando identificar formas de utilizar a modelagem hidrodinâmica para melhorar a gestão do corpo hídrico e de lançamento de efluentes. A área de estudo consiste na região nordeste da Laguna dos Patos, no Rio Grande do Sul, onde o vento e a vazão afluente são os fatores determinantes de circulação de água. O modelo utilizado (IPH-A) apresentou boa representação da variação de nível, exceto pelo posto mais próximo da região estuarina, e da circulação de água. O coeficiente de dispersão foi definido a partir da comparação visual da simulação da dispersão dos sedimentos em suspensão afluentes ao Lago Guaíba e a pluma do Guaíba observada em imagens de satélite. Cenários de vento e vazão foram determinados a partir da análise da série histórica de dados de vento na estação de Rio Grande e da vazão afluente ao Lago Guaíba.Os resultados dos ventos sudoeste e nordeste foram semelhantes ao verificado na literatura com uso de modelo bidimensional para o corpo lagunar. Na região nordeste, uma célula de circulação entre o Banco das Desertas e o Banco dos Abreus é observada no sentido horário (anti-horário) para os cenários com vento sudoeste (nordeste). O vento sudeste provoca o aumento do nível na margem oeste e redução na margem leste. É observada uma maior renovação de água na região ao norte do Banco das Desertas e menor troca de água com a Lagoa do Casamento do que nos cenários anteriores. Nos cenários de vento nulo, as velocidades da água na região nordeste da laguna são bastante baixas. A vazão necessária para manutenção do nível na laguna dependeu do vento predominante. Os diferentes cenários de vento produziram diferentes plumas de dispersão do lançamento de efluente simulado, seguindo os padrões da circulação de água no local. As maiores concentrações foram observadas no local de lançamento do efluente para o cenário de vento nulo e a maior área de influência foi observada para os cenários de vento nordeste (maior velocidade de vento simulada). Para os cinco dias de simulação, foi observada pouca influência da vazão afluente no nível e na circulação de água do corpo lagunar e, consequentemente, na dispersão de poluentes. Os resultados evidenciam a necessidade de as concentrações de lançamento permitidas serem estabelecidas com base em estudo da dispersão física do efluente no corpo hídrico receptor, conforme determinado pela legislação nacional para corpos d’água onde não se aplica a vazão de referência. A consideração de uma zona de mistura onde as concentrações dos parâmetros podem estar em desacorpo com o enquadramento do corpo hídrico é debatida nas discussões. As simulações permitiram ainda identificar locais prioritários para monitoramento dos efeitos do efluente lançado na qualidade da água, cenários críticos para conflitos de uso da água considerando outros usos na região e verificar possíveis consequências do encurtamento ou alongamento do emissário. The aim of this study is to understand the relationship between hydrodynamic and the pollutants dispersion in the northeast region of the Patos Lagoon, looking for identify ways of using hydrodynamic modeling to improve water resources and effluent discharge management. The study area is the northeastern region of Patos Lagoon, a chocked lagoon in the brazilian state of Rio Grande do Sul, where winds and freshwater runoff drive water circulation. The model IPH-A performed well, except for the estuarine region. The dispersion coefficient was defined from the visual comparison between the dispersion of suspended sediments on Guaíba Lake simulated and observed in satellite images. The wind and freshwater runoff scenarios were determined by analyzing the historical wind data series at the Rio Grande station and the freshwater discharge of the main tributaries of Guaíba Lake. The results for the scenarios of the southwest and northeast winds were similar to those observed in the literature using a two-dimensional hydrodynamic model. In the northeast region, a circulation cell between the Banco das Desertas and Banco dos Abreus is observed clockwise (counter-clockwise) for the southwest (northeast) wind scenarios. The southeast wind increases water level in the west margin and reduces in the east margin. It is observed a more intense water exchange in the region to the north of the Banco das Desertas and less water exchange with the Casamento Lagoon than in the previous scenarios. In null wind speed scenarios, the water velocities in the northeast region of the lagoon are quite low. The water inflow necessary to maintain the water level in the lagoon depends on the wind condition. Different wind scenarios produced different effluent plumes, following the local water circulation patterns. The highest concentrations were observed at the effluent discharge site for the scenario with null wind speed and the largest area of influence was observed for the northeast wind scenario (highest simulated wind speed). Due to the only 5-days period of simulation, little influence was observed of the freshwater runoff on the water level and on the lagoon circulation, and, consequently, on the dispersion of pollutants. This evidences the need for the maximum permitted concentrations of pollutants to be established based on a study of the physical dispersion of the effluent in the receiving water body, as determined by national legislation for water bodies where the reference flow does not apply. The simulations also allowed to identify priority sites for monitoring the effects of effluent discharge on water quality, critical scenarios for water use conflicts considering other uses, and to verify possible consequences of changes in emissary length.

Submitted by Wagner Maciel Castilho (castilho.w@gmail.com) on 2017-12-05T10:53:57Z No. of bitstreams: 1 TeseWagner.pdf: 4189219 bytes, checksum: dbc77f46b31b8872c5aafe68d8a5b7d0 (MD5) Approved for entry into archive by Pamella Benevides Gonçalves null (pamella@feg.unesp.br) on 2017-12-05T12:38:21Z (GMT) No. of bitstreams: 1 catilho_wm_dr_guara.pdf: 4189219 bytes, checksum: dbc77f46b31b8872c5aafe68d8a5b7d0 (MD5) Made available in DSpace on 2017-12-05T12:38:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 catilho_wm_dr_guara.pdf: 4189219 bytes, checksum: dbc77f46b31b8872c5aafe68d8a5b7d0 (MD5) Previous issue date: 2017-11-10 Os fenômenos físicos envolvidos em colisões relativísticas de íons pesados foram estudados utilizando o código hidrodinâmico NeXSPheRIO, com condições iniciais flutuantes evento a evento, caracterizado por tubos de fluxo longitudinais de altas energias. Foram realizadas análises para o espectro de hádrons em função dos momentos transversais pelos cálculos das distribuições de partículas em sete janelas de centralidade de colisão, de acordo com dados publicados pela Colaboração STAR. A coletividade da matéria nuclear formada durante as colisões foi investigada em termos de correlações azimutais entre hádrons. Verificou-se que as estruturas da correlação dependem do momento transversal e da centralidade. Tais estruturas são atribuídas à interação entre um fundo dependente da centralidade e as flutuações de evento a evento na multiplicidade. Como resultado, as correlações observadas são apresentadas por um duplo pico na região do away-side que mudam continuamente para um pico único sob certas circunstâncias. Em termos do modelo do tubo periférico, o fundo é dominado pelo fluxo elíptico que aumenta com a descentralização. Pelos cálculos numéricos, a anisotropia do sistema é estudada quanto aos coeficientes de fluxo harmônico até a quarta ordem, de acordo com os dados da colaboração PHENIX. A anisotropia do fundo contribui para as correlações entre hádrons e pôde ser avaliada pelo método ZYAM. Após sua subtração na produção do sinal de correlação próprio, a estrutura de correlação resultante é uma função da centralidade, plano de evento e do momento transverso de acordo com os dados das colaborações PHENIX e STAR. Mostrou-se que a estrutura do duplo pico no away-side muda continuamente para um pico único com a redução na centralidade. Além disso, em relação à dependência do plano de eventos, a estrutura de duplo pico no away-side evolui para um pico único à medida que o ângulo azimutal das partículas gatilho se move do plano para o da direção fora do plano de eventos. Também foi mostrado que a estrutura resultante do away-side pode ser sensível ao esquema detalhado pelo método ZYAM, particularmente, a subtração do terceiro coeficiente harmônico. Por último, mas não menos importante, a magnitude da correlação diminuiu com o aumento do momento transversal das partículas associadas. Nossas análises apresentaram um acordo razoável com os dados experimentais publicados pela colaboração PHENIX e STAR do RHIC The physical phenomena involved in relativistic heavy-ion collisions were studied using a hydrodynamic code, NeXSPheRIO, with event-by-event fluctuating initial conditions featured by high-energy longitudinal flux tubes. Analyses were carried out for hadron spectrum as a function of the transverse momentum by the calculations of particle distributions in seven collision centrality windows, according to the data published by the STAR Collaboration. Also, the collectivity of the nuclear matter formed during the collisions was investigated in terms of dihadron azimuthal correlations. The correlation structures were found to be dependent on the transverse momentum and centrality. They are attributed to the interplay between the centrality dependent background and the eventby-event multiplicity fluctuations. As a result, the observed correlations are featured by a double-peak in the away-side region that continuously change to a single peak under certain circumstances. In terms of the peripheral tube model, the background is dominated by the elliptic flow which increases with decreasing centrality. By numerical calculations, the anisotropy of the system is studied regarding the harmonic flow coefficients up to fourth order, in accordance with the existing RHIC data. The background anisotropy contributes to the dihadron correlations, and can be evaluated by the ZYAM method. After it is subtracted from the proper correlation yields, the resultant correlation structure is a function of centrality, event plane and transverse moment, in accordance with the data from the PHENIX and STAR Collaborations. It was shown that the double-peak structure in the away-side continually changes to a single peak as centrality decreases. In addition, concerning the event plane dependence, the double-peak structure in the away-side evolves into a single peak as the azimuthal angle of the trigger particles moves from the in-plane to the out-of-plane direction. It was also shown that the resultant away-side structure can be sensitive to the detailed schemes of the ZYAM method, particularly, to the subtraction of the third harmonic coefficient. Last but not least, the magnitude of the correlation was found to decrease with increasing transverse moment of the associated particles. Our analyses manifestly presented a reasonable agreement with the experimental data published by the PHENIX and STAR Collaborations

O processo de urbanização que está ocorrendo nas cidades brasileiras tem se mostrado desorganizado e com isso as inundações estão se tornando um fenômeno recorrente. O crescimento da impermeabilização no solo urbano diminui a quantidade de água infiltrada no solo durante o período de chuva, os córregos não conseguem suprir a demanda da água nos canais, além de receber do escoamento superficial uma grande quantidade. Nesse contexto a modelagem hidrodinâmica é uma ferramenta importante para avaliar os sistemas de drenagens e prever os efeitos da inundação. Dessa forma o presente trabalho foi aplicado na bacia hidrográfica do Ribeirão Anicuns, no município de Goiânia, onde uma parte considerável da bacia se encontra em área urbanizada. Utilizando o modelo hidrodinâmico HEC-RAS foram criados vários cenários de inundação com os tempos de retorno de 15, 25, 50 e 100 anos para a chuva de projeto; houve auxílio de um Sistema de Informações Geográficas, utilizando o programa ArcMap 10.0 a ortofoto do município de alta resolução e o MDT feito a partir de laser scanner aerotransportado, com esse material se extraiu a geometria da bacia hidrográfica. Na modelagem hidrodinâmica trabalhada o modelo foi executardo no regime não permanente, considerando a equação de Saint Venant completa. Além da modelagem hidrodinâmica foi realizada uma simulação no modelo simplificado HAND do INPE, onde se mostrou ser uma ferramenta barata, de fácil acesso e com resultados de qualidade. Com os resultados obtidos (hidrogramas de cheia e manchas de inundação referente aos diferentes tempos de retorno) foram mostradas áreas de inundação nos diferentes cenários criados, sendo possível compara-los. Os resultados mostraram que a mancha de inundação ao longo da bacia se tornaram significativamente maiores a medida que os tempos de retorno cresciam. Nos córregos urbanizados houve mudanças maiores do que as mudanças que ocorreram nos córregos afastados do perímetro urbano. Nos córregos que estão fora da área urbanizada foca o alerta, são córregos naturais e mostraram que não suportarão o volume de água resultante deste trabalho. The urbanization issues is taking place in Brazilian cities has proved disorganized and thus the floods are becoming a recurring phenomenon. The growth of waterproofing in urban land decreases the amount of infiltrated water in the soil during the rainy season, the rivers might otherwise not conform the water demand in the channels in addition to receive a lot of water runoff In this context the hydrodynamic modeling is an important tool to assess the drainage systems and predict the effects of flooding. This study was applied to the watershed of Ribeirão Anicuns in Goiania, where a considerable part of the basin is in an urban area. Using the hydrodynamic model HECRAS were created various flood scenarios with return periods of 15, 25, 50 and 100 years for the project rainfall; there was aid of a geographic information system, using ArcMap 10.0 to the high-resolution orthophoto city and DEM made from airborne laser scanner, with this material extracted the geometry of the basin. In hydrodynamic modeling crafted the model was run in unsteady flow considering the full Saint Venant equation. In addition to the hydrodynamic modeling was carried out a simulation on the INPE simplified model called HAND, which turned out to be an inexpensive tool, easily accessible and with quality results. With the results obtained (flood hydrograph and flood patches concerning the different return times) flood areas were shown in different scenarios created, and you can compare them. The results showed that the flood spot along the basin have become significantly larger as the return periods grow. In urbanized streams were no major changes than the changes that occurred in streams away from the urban area. Streams that are outside the urbanized area focuses on the alert, they are natural streams and showed that will not support the volume of water resulting from this work. Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq

Along the adductor canal in the wilderness of Alagoas State there are some situations that deserve more attention in relation to the natural surface drainage system and its interventions in the channel structure. The chute of the dry creek, adjacent to the adductor canal, receives the contribution of five micro watersheds that were connected by dams and pipes, going to converge on the structure of the over-chute 3 located at kilometer 67.280, which eventually crosses the adductor canal. The vicinities of the dry creek to the adductor canal and the bottom elevations of the dry creek in relation to the elevations of the tops of berms of the canal are given special attention, stimulating lecture on the topic. The confluences often occur in natural canals and increase the water depth, especially in stretches upstream of the confluence, in both directions canals, causing flooding in adjacent regions, beyond the chute of natural canals and could, therefore, reach structures in its vicinities. The main issue to be considered is the raising of the water level on the structure of the over-chute 3 that will be submerged during floods and the stretch upstream of the confluence in the dry creek that develops a 620m at an average distance of 80m in the axis of the to the adductor canal. Thus, this dissertation describes the possible effects caused by the confluence of the dry creek with tax watersheds close to the kilometer 67.280 of the adductor canal in the wilderness of Alagoas State. The analysis of the elevations and their possible risks to the structure of the adductor canal for different flood scenarios will be performed using the HEC-RAS hydrodynamics modeling program. Ao longo do canal adutor do sertão alagoano há algumas situações que merecem mais atenção no que se refere ao sistema de drenagem superficial natural e suas intervenções na estrutura do canal. A calha do riacho seco, adjacente ao canal adutor, recebe a contribuição de cinco micro bacias que foram interligadas por diques e canalizações, passando a convergirem para a estrutura do over-chute 3 localizado no quilômetro 67,280, que por fim atravessa o canal adutor. As proximidades do riacho seco ao canal adutor e as elevações do fundo do riacho seco em relação às elevações do topo dos diques do canal recebem atenção especial, estimulando a dissertar sobre o tema. As confluências ocorrem frequentemente em canais naturais e elevam a lâmina d’água, notadamente nos trechos de canais a montante da confluência, em ambas as direções, podendo causar inundações nas regiões adjacentes, além da calha dos canais naturais podendo, portanto, atingir estruturas nas suas proximidades. A questão principal a analisar é a elevação do nível de água sobre a estrutura do over-chute 3 que será submergida por ocasião das cheias e do trecho de montante à confluência no riacho seco que se desenvolve por uns 620m a uma distância média de 80m em relação ao eixo do canal adutor. Assim, se descreve nesta dissertação os possíveis efeitos causados pela confluência do riacho seco com as bacias tributárias nas imediações do quilômetro 67,280 do canal adutor do Sertão Alagoano. A análise das elevações e seus possíveis riscos a estrutura do canal adutor, para diferentes cenários de cheias, será realizada com a utilização do programa de modelagem hidrodinâmica HEC-RAS.

Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-07T14:37:15Z No. of bitstreams: 1 Tese_Edgar_Final.pdf: 2903304 bytes, checksum: c78dc4df6dca50c1b712487b7d3f19d6 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-07T14:37:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_Edgar_Final.pdf: 2903304 bytes, checksum: c78dc4df6dca50c1b712487b7d3f19d6 (MD5) Previous issue date: 2012-02-27 Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro This thesis presents a strategy for automatically obtaining hydrodynamic and transport parameters by means of the solution of inverse problems. Obtaining the parameters of a physical model represents a major problem in its calibration, and this is largely due to the difficulty associated to the field measurements of these parameters. In particular by modeling rivers and estuaries, the roughness height and the turbulent diffusion coefficient represent two of the most difficult parameters to measure or estimate. Here, an automated technique for estimation of these parameters through an inverse problem is applied to a model of the Macaé estuary, located in northern Rio de Janeiro. For this investigation, hydrodynamic and transport models were built in the MOHID platform, developed in the Technical University of Lisbon, which has had wide application in simulation of water bodies. A sensitivity analysis was performed regarding the model responses with respect to the parameters of interest. It was verified that salinity is a sensitive variable for both parameters. The inverse problem was then solved using various optimization methods by coupling the MOHID platform to optimization codes implemented in Fortran. The coupling was carried in a way to not change the MOHID source code, allowing the use of the computational tool here developed in any version of this platform, as well as its modification for use with other simulators. The tests confirm the efficiency of the technique and suggest the best approaches for a fast and accurate estimation of the parameters. Esta tese tem por objetivo propor uma estratégia de obtenção automática de parâmetros hidrodinâmicos e de transporte através da solução de problemas inversos. A obtenção dos parâmetros de um modelo físico representa um dos principais problemas em sua calibração, e isso se deve em grande parte à dificuldade na medição em campo desses parâmetros. Em particular na modelagem de rios e estuários, a altura da rugosidade e o coeficiente de difusão turbulenta representam dois dos parâmetros com maior dificuldade de medição. Nesta tese é apresentada uma técnica automatizada de estimação desses parâmetros através deum problema inverso aplicado a um modelo do estuário do rio Macaé, localizado no norte do Rio de Janeiro. Para este estudo foi utilizada a plataforma MOHID, desenvolvida na Universidade Técnica de Lisboa, e que tem tido ampla aplicação na simulação de corpos hídricos. Foi realizada uma análise de sensibilidade das respostas do modelo com relação aos parâmetros de interesse. Verificou-se que a salinidade é uma variável sensível a ambos parâmetros. O problema inverso foi então resolvido utilizando vários métodos de otimização através do acoplamento da plataforma MOHID a códigos de otimização implementados em Fortran. O acoplamento foi realizado de forma a não alterar o código fonte do MOHID, possibilitando a utilização da ferramenta computacional aqui desenvolvida em qualquer versão dessa plataforma, bem como a sua alteração para o uso com outros simuladores. Os testes realizados confirmam a eficiência da técnica e apontam as melhores abordagens para uma rápida e precisa estimação dos parâmetros.

Devido à proximidade de grandes cidades, ecossistemas aquáticos são alvos de despejos industriais, esgotos domésticos e resíduos sólidos. Modelos matemáticos são largamente utilizados para entender os padrões de fluxo e o transporte de substâncias nestes ecossistemas. Neste trabalho, desenvolveu-se um modelo hidrodinâmico e de transporte de poluentes bidimensional para corpos d’água rasos que utiliza grades não estruturadas. O modelo foi desenvolvido em dois módulos: hidrodinâmico e de transporte de massa. O módulo hidrodinâmico utiliza as equações completas de Saint Venant para quantificação da circulação em corpos d’águas. No módulo hidrodinâmico aqui desenvolvido é feito um aperfeiçoamento de um esquema semi-implícito de diferenças finitas utilizado no modelo IPH-ECO para um esquema semi-implícito de volumes finitos. O módulo de transporte de massa, por sua vez, representa o transporte de um escalar conservativo sob influência dos processos físicos do meio. Dois esquemas foram empregados e comparados para a solução numérica da equação de transporte: um esquema de diferenças centrais e um esquema com limitador de fluxo. O modelo foi aplicado em um estudo de caso simplificado formado por uma lagoa circular e no rio Guaíba. O módulo hidrodinâmico foi avaliado através de testes de conservação de volume feitos comparando com os resultados encontrados nno modelo IPHECO na aplicação realizada na lagoa circular e na solução analítica no rio Guaíba. O módulo hidrodinâmico do modelo de grades não estruturadas (IPH-UnTRIM2D) mostrou-se mais conservativo que o modelo IPH-ECO em todos os cenários simulados na lagoa circular. A solução hidrodinâmica e de transporte do modelo de grades não estruturadas no estudo de caso idealizado no rio Guaíba representou meandros, sulcos, estreitamentos e alargamentos de canais com comprometimento com uma situação real. Quanto à simulação de transporte de escalares e poluentes, foi comprovada a eficiência do esquema com limitador de fluxo sobre os esquemas de diferenças centrais. Os testes de conservação de massa para diferentes cenários no rio Guaíba indicaram erros pouco significativos em ambos os esquemas quando comparados com a ordem de grandeza do ecossistema. Aquatics ecossistems around large towns are always exposed waste domestic and industrial and solid residues. Mathematical models are widely used to understand flow patterns and transport of mass in these ecosystems. In this work a model was developed on unstructured two-dimensional complex dynamic model for shallow lakes. The model was divided in two modules: (a) hydrodynamic module, describing quantitative flows and water level; (b) a mass transport module. The hydrodynamic module solves Saint Venant equations to quantify water circulation in a water body. Futhermore, the hydrodynamic module was improved to semiimplicit finite volume scheme. The mass transport module represents transport of a conservative scalar under the physical processes influence. Two schemes were used and compared to the transport equation numerical solution : a central difference scheme and a flux limiter scheme. The model was applied in the circular lake and river Guaíba. The hydrodynamic module was validated by evaluating tests of volume conservation made comparing with results of the model IPH-ECO and analytical solution. It proved to be more conservative than the model IPH-ECO in all scenarios simulated in the circular lake. The hydrodynamic and transport solution in river Guaíba study case represented bends, grooves, and channels widening and narrowing. In the transport simulation, the flux limiter scheme was more efficient than central differences scheme. Futhermore, mass conservation tests for different scenarios in Guaíba indicated minor errors in both schemes when compared with ecosystem magnitude.

A atmosfera não contém ondas acústicas na aproximação hidrostática. Entre outras ondas, as ondas de Lamb, que se propagam horizontalmente, são as mais rápidas. A velocidade delas é comparável a do som. O valor exato da velocidade depende da escolha do estado básico da atmosfera usado para a linearização das equações hidrotermodinâmicas. Às condições reais da troposfera da Terra corresponde o estado com a estratificação térmica politrópica. A temperatura deste estado decresce em relação a altura a uma taxa de variação constante gama. Supomos que toda a atmosfera tenha uma estratificação politrópica, ou seja, verticalmente finita. Supomos também que a estratificação seja estaticamente estável ou neutra . O perfil vertical das autofunções é expresso, no modelo politrópico, através das funções de Bessel. Por isso, a equação de dispersão que determina os autovalores do problema e, como conseqüência, o espectro das oscilações da atmosfera, é transcendente. A solução mínima desta equação, isto é, gama o autovalor mínimo corresponde à velocidade máxima de propagação de desvios (velocidade da frente). Quando o autovalor mínimo pode ser encontrado facilmente com a ajuda do desenvolvimento da solução em série de potências da pequena diferença . É mostrado que uma fórmula analítica simples, obtida mantendo-se na série só os dois primeiros termos, fornece uma boa aproximação não somente para este caso, como também para o caso oposto quando gama=0. Uma comparação dos cálculos obtidos pela fórmula analítica e, numericamente, pela equação de dispersão completa mostra uma alta precisão da fórmula em todo o intervalo . There are no acoustic waves in a hydrostatic model of the atmosphere. Among the other waves, the most fast ones are the Lamb waves that propagate horizontally. Their speed is comparable with the speed of sound. Its exact value depends on the choice of the basic state of the atmosphere which is used to linearize the hydrothermodynamic equations. It is a state with a polytropic stratification where the temperature decreases linearly with altitude at a constant lapse-rate gamma that corresponds to the actual conditions of the Earth's troposphere. It is assumed that all the atmosphere has a politropic stratification, i.e., it is finite with altitude because gamma >0. We suppose also that the stratification is statically stable or neutral . The vertical profile of the eigenmodes in the polytropic model is described with the help of the Bessel functions. Therefore, the dispersion equation that determines the eigenvalues of the problem, and consequently an oscillation spectrum, is transcendental. The highest propagation speed (the front speed) corresponds to the minimum solution of this equation, i.e., the minimum eigenvalue. When , the minimum eigenvalue can be calculated using the development of the solution into the series by powers of the small difference . It is proved that a simple analytical formula, obtained by keeping in the series only the two first terms, gives a good approximation not only of this limit but of the opposite limit when gamma=0 , too. A comparison of the results obtained by the analytical formula and using the complete dispersion equation shows a good precision of the formula in the whole range of .