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Title in Portuguese: Modelagem da dinâmica interativa rio-aquífero para região semiárida de dados escassos
Title: Modeling river-aquifer dynamic interaction in data-scarce semiarid region
Author: Alencar, Júnio Moreira de
Advisor(s): Mendonça, Luiz Alberto Ribeiro
Co-advisor(s): Fontenele, Sávio de Brito
Keywords: Processos hidrológicos
Onda cinemática
Infiltração
Fluxo subterrâneo
Equação diferencial
Hydrological processes
Kinematic wave
Infiltration
Groundwater flow
Differential equation
Issue Date: 2019
Citation: ALENCAR, Júnio Moreira de. Modelagem da dinâmica interativa rio-aquífero para região semiárida de dados escassos. 96 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Agrícola) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2019.
Abstract in Portuguese: Modelos de interação rio-aquífero constituem uma importante ferramenta na tomada de decisão na gestão dos recursos hídricos. Um dos grandes desafios na construção desses modelos em regiões semiáridas está na indisponibilidade de dados hidrológicos. Neste trabalho, é proposto um modelo para simular trocas hídricas entre rio e aquífero em regiões com dados escassos, tomando como estudo de caso uma área experimental na bacia do Alto Jaguaribe, de área de drenagem de 1.014 km², localizada no semiárido do nordeste brasileiro. O desenvolvimento deste modelo está baseado em três processos hidrológicos: (i) propagação do escoamento no rio, modelado a partir da abordagem da onda cinemática; (ii) infiltração em solo de multicamadas, modelada a partir da abordagem de Green-Ampt; e (iii) fluxo subterrâneo, modelado pela equação diferencial parcial bidimensional de fluxo subterrâneo em aquíferos livres. O modelo desenvolvido calcula o hidrograma do rio considerando as trocas hídricas rio-aquífero estimadas a partir das variações das cargas hidráulicas aquíferas, resultante das flutuações da recarga durante cada evento simulado. Na análise de sensibilidade e calibração do modelo utilizaram-se o coeficiente de eficiência de Nash-Sutcliffe (CENS) para as descargas superficiais e o Erro Médio Absoluto (EMA) para as cargas hidráulicas aquíferas. Na calibração do modelo obteve-se um CENS de 0,6 e um EMA de 0,2 m. Na validação do modelo, utilizaram-se três eventos de cheias, sendo dois de curta duração e pequena magnitude de variação volumétrica negativa e o outro de longa duração e grande magnitude de variação volumétrica positiva. Para avaliar o desempenho do modelo, usaram-se o EMA para as cargas hidráulicas, o CENS para as descargas superficiais e os erros relativos cometidos no cálculo do volume escoado e pico das vazões. Os resultados da validação mostraram um EMA máximo de 0,4 m, CENS médio de 0,5, erros médios relativos no cálculo dos volumes escoados e vazões de pico, respectivamente, de 0,23 e 0,3, configurando um bom desempenho do modelo tendo em vista a complexidade da modelagem proposta e as incertezas provenientes da escassez de dados. O presente modelo mostrou-se ter potencial para simular as trocas hídricas rio-aquífero para regiões de dados escassos, mas ainda não está pronto para aplicações reais, precisando ser avaliado em outras regiões semiáridas de escala e litologia distintas para um melhor entendimento das suas limitações e potencialidades e aperfeiçoamento das suas rotinas internas.
Abstract: Models of river-aquifer interaction have been emerged as an important tool for effective management of water resources. Developing these models in semiarid regions is a great challenge and one of the main issues is the scarcity of hydrological data. Herein a model is proposed for simulation of river water and groundwater exchange for data-scarce regions. This model has been applied to the Experimental site (1014 km²) located in the Brazilian northeastern semi-arid region and based on three hydrological processes: (i) streamflow in natural rivers, which is modeled using the kinematic wave method, (ii) infiltration into heterogeneous soils, which is modeled using the Green-Ampt approach and (iii) groundwater flow, which is modeled using the two-dimensional partial differential equation for groundwater flow. The developed model simulates the river hydrograph accounting river water and groundwater exchange for each event. Initially, a sensitivity analysis was carried out and then the calibration procedure is evaluated using Coefficient of Nash and Sutcliffe (NS) for variation in the discharge hydrographs and the Mean Absolute Error (MAE) between simulated and observed groundwater heads. The results showed a calibration NS of 0.6 and EMA of 0.2 m. In the validation of the model, three events were used, two of short duration and small magnitude characterized by being of negative volumetric variation and the other of long duration and large magnitude characterized by being of positive volumetric variation. For model performance evaluation, NS and MAE are calculated. In addition, it was estimated the relative error (RE) in hydrograph volume and peak in relation to the observed data. Validation results showed a maximum MAE of 0.4 m, mean NS of 0.5, mean RE in hydrograph volume and peak, respectively, of 0.23 and 0.3. Considering the complexity of the proposed modeling and the uncertainties arising from the scarcity of data, the present model has been shown potential to simulate river-aquifer water exchanges for scarce data regions, but is not yet ready for real applications and needs to be evaluated in other semi-arid regions of distinct scale and lithology for a better understanding of their limitations. and potentialities and improvement of its internal routines.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/49193
metadata.dc.type: Tese
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