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Title: Plataforma computacional integrada para modelagem hidrológica e hidrodinâmica com dados geoespaciais.
Other Titles: Integrated computational platform for hydrological and hydrodynamic modeling with geospatial data.
???metadata.dc.creator???: FREITAS, Moisés Correia.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: CUNHA, John Elton de Brito Leite
???metadata.dc.contributor.referee1???: FERNANDES, Renato de Oliveira.
???metadata.dc.contributor.referee2???: ALCÂNTARA, Hugo Morais de.
Keywords: Modelagem hidrológica;Modelagem hidrodinâmica;Plataforma computacional - modelagem;Hidrologia;Dados geoespaciais;Geotecnologias;Modelos hidrodinâmicos;Sensoriamento remoto;Algoritmo computacional;Linguagem MATLAB;Software de modelagem hidrológica;Método de Muskingum;Hidrograma;Hydrological modeling;Hydrodynamic modeling;Computing platform - modeling;Hydrology;Geospatial data;Geotechnologies;Hydrodynamic models;Remote sensing;Computational algorithm;MATLAB language;Hydrological modeling software;Hydrograph;Muskingum method;SMAP – Soil Moisture Accounting Procedure
Issue Date: 9-Aug-2022
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: FREITAS, Moisés Correia. Plataforma computacional integrada para modelagem hidrológica e hidrodinâmica com dados geoespaciais. 2022. 75f. (Dissertação), Mestrado Profissional em Rede Nacional em Gestão e Regulação de Recursos Hídricos, Centro de Desenvolvimento Sustentável do Semiárido, Universidade Federal de Campina Grande – Campus de Sumé – Paraíba, Brasil, 2022. Disponível em: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/26876
???metadata.dc.description.resumo???: Os avanços tecnológicos, em particular o crescente aumento no poder de processamento dos computadores e difusão do sensoriamento remoto através dos dados geoespaciais, permitiu o desenvolvimento de modelos hidrológicos robustos, eficientes e práticos, criando ferramentas indispensáveis para tomada de decisão. Estas ferramentas tem contribuído para aumentar a eficiência do gerenciamento e regulação dos recursos hídricos. Tradicionalmente, os softwares de modelagem hidrodinâmica difundidos no meio acadêmico utilizam formulações da hidrologia e da hidráulica, impondo a utilização de dois ou mais aplicativos nas análises voltadas para tomada de decisão. Tendo em vista o tempo desprendido no aprendizado e aplicação destes softwares, além dos inúmeros problemas gerados nas conexões e entrelaçamentos das informações geradas, tona-se viável a criação de um aplicativo que integre os dados geoespaciais com os modelos hidrodinâmicos. Assim, o objetivo principal desse estudo foi desenvolver um software que possibilite a operação de modelos hidrológicos e hidrodinâmicos com dados geoespaciais. Para esse fim, na criação do algoritmo computacional, utilizou-se a linguagem de programação MATLAB (MATrix LABoratory) por possuir uma gama de ferramentas, toolboxes que permitem realizar inúmeras operações matemáticas. O software construído, processa o modelo numérico do terreno para extrair os parâmetros físicos da bacia hidrográfica. Possibilita o cálculo do tempo de concentração e estima a chuva de projeto aplicando a equação clássica de chuvas intensas. A determinação do hidrograma de projeto é realizada com os métodos do hidrograma unitário sintético triangular do Natural Resources Conservation Service (NRCS). As funções hidrodinâmicas permitem o dimensionamento dos dispositivos hídricos e simulação da onda de cheia em canais naturais ou artificiais. Duas opções são apresentadas ao operador, aplicação da equação de Manning ou método Muskingum. Ao aplicar Manning, é possível escolher uma modelagem que despreza as contribuições laterais e considera o escoamento permanente e uniforme ao longo do trecho observado. O método de Muskingum despreza os efeitos originados pela equação da quantidade de movimento, baseando-se na equação da continuidade e nas relações existentes entre o armazenamento prismático e em cunha durante o avanço da cheia. Ressalta-se, que o usuário também pode realizar as simulações de transformação chuva-vazão na bacia hidrográfica, executando o módulo SMAP (Soil Moisture Accounting Procedure) acoplado. O software criado demonstra potencial para integrar a modelagem hidrológica com modelos hidrodinâmicos em uma única aplicação, mostrando-se um instrumento de grande valia durante a compreensão dos processos físicos do ciclo da água, tanto na simulação como na previsão dos fluxos d’agua em uma bacia hidrográfica. A construção da interface permite uma operação intuitiva, mesmo para usuários com pouco experiência com software com modelagem hidrologia e hidrodinâmica que usam dados geoespaciais, exibe os resultados de maneira compreensível ao usuário e processa diversos cálculos matemáticos intrínsecos.
Abstract: Technological advances, in particular the growing increase in computer processing power and the diffusion of remote sensing through geospatial data, allowed the development of robust, efficient and practical hydrological models, creating indispensable tools for decision making. These tools have contributed to increasing the efficiency of the management and regulation of water resources. Traditionally, hydrodynamic modeling software disseminated in the academic environment uses formulations of hydrology and hydraulics, imposing the use of two or more applications in analyzes aimed at decision making. Considering the time spent in learning and applying these software, in addition to the numerous problems generated in the connections and intertwining of the generated information, it becomes feasible to create an application that integrates geospatial data with hydrodynamic models. Thus, the main objective of this study was to develop software that allows the operation of hydrological and hydrodynamic models with geospatial data. For this purpose, in the creation of the computational algorithm, the programming language MATLAB (MATrix LABoratory) was used because it has a range of tools, toolboxes that allow performing numerous mathematical operations. The software built processes the numerical model of the terrain to extract the physical parameters of the watershed. It makes it possible to calculate the concentration time and estimate the design rain by applying the classical equation of heavy rains. The determination of the project hydrograph is performed using the Natural Resources Conservation Service (NRCS) triangular synthetic unit hydrograph methods. The hydrodynamic functions allow the dimensioning of water devices and simulation of the flood wave in natural or artificial channels. Two options are presented to the operator, application of the Manning equation or the Muskingum method. By applying Manning, it is possible to choose a model that neglects the lateral contributions and considers the steady and uniform flow along the observed section. Muskingum's method ignores the effects caused by the momentum equation, based on the continuity equation and on the relationships between prismatic and wedge storage during the flood advance. It should be noted that the user can also perform rainfall-runoff transformation simulations in the watershed, executing the coupled SMAP (Soil Moisture Accounting Procedure) module. The software created demonstrates the potential to integrate hydrological modeling with hydrodynamic models in a single application, proving to be a valuable instrument for understanding the physical processes of the water cycle, both in the simulation and in the prediction of water flows in a hydrographic basin. The construction of the interface allows an intuitive operation, even for users with little experience with hydrology and hydrodynamics modeling software that uses geospatial data, displays the results in a user-understandable way and processes several intrinsic mathematical calculations.
Keywords: Modelagem hidrológica
Modelagem hidrodinâmica
Plataforma computacional - modelagem
Hidrologia
Dados geoespaciais
Geotecnologias
Modelos hidrodinâmicos
Sensoriamento remoto
Algoritmo computacional
Linguagem MATLAB
Software de modelagem hidrológica
Método de Muskingum
Hidrograma
Hydrological modeling
Hydrodynamic modeling
Computing platform - modeling
Hydrology
Geospatial data
Geotechnologies
Hydrodynamic models
Remote sensing
Computational algorithm
MATLAB language
Hydrological modeling software
Hydrograph
Muskingum method
SMAP – Soil Moisture Accounting Procedure
???metadata.dc.subject.cnpq???: Instrumentos da Política de Recursos Hídricos
URI: http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/handle/riufcg/26876
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