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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/64264
Tipo: | Tese |
Título: | Escassez e abundância - entropia e estatística como ferramentas para hidrologia: uma ciência com distribuição irregular de dados e eventos |
Título em inglês: | Too much, too little – entropy and statistics as tools for hydrology: a science of irregular distribution of data and events |
Autor(es): | Alencar, Pedro Henrique Lima |
Orientador: | Araújo, José Carlos de Paton, Eva Nora |
Palavras-chave: | Teoria da entropia;Secas;Voçorocas;Transporte de sedimentos;Hidrologia |
Data do documento: | 2022 |
Citação: | ALENCAR, Pedro Henrique Lima. Too much, too little – entropy and statistics as tools for hydrology: a science of irregular distribution of data and events. 2022. 231 f. Tese (Doutorado em Engenharia Agrícola) – Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2022. |
Resumo: | Nas últimas décadas, o número de eventos climáticos extremos aumentou no mesmo ritmo que a crescente frequência de períodos incomuns de clima úmido e seco. As condições meteorológicas extremas causam vários riscos naturais, como inundações, enxurradas e assoreamento, bem como perdas de safra e incêndios florestais. Enquanto os hidrólogos têm que lidar com processos complexos sob a urgência da crise climática, os dados para alimentar seus modelos podem ser escassos, como nas regiões do Sul Global, ou muito numerosos e cheios de ruído. Este cenário de dados e eventos (água) desigualmente distribuídos foi a motivação para a presente tese. O texto é orientado por cinco questões relativas a (1) modelagem de erosão por voçorocas, (2) avaliação de produção de sedimentos em bacias não monitoradas, (3) os principais fatores causadores de flash droughts, sua definição e (4) como identificar tais eventos, e (5) as ferramentas disponíveis para hidrólogos para lidar com problemas relacionados a condições meteorológicas extremas e seus impactos. Essas cinco questões levaram à preparação de quatro artigos científicos e um aplicativo interativo para identificação de flash droughts. Os primeiros dois artigos tratam da modelagem de erosão em voçorocas. No primeiro artigo, exploramos as variáveis-chave para modelar com sucesso a erosão de longo prazo por voçorocas. Apresentamos também um modelo de base física para pequenas voçorocas permanentes, um processo erosivo comum no Semiárido Brasileiro. No segundo artigo, propomos uma nova equação para a distribuição da tensão de cisalhamento em leitos e paredes de canais. Esta equação, associada a estrutura do modelo submetida no primeiro artigo, leva a um novo modelo de erosão de voçorocas baseado em entropia que permite a simulação da erosão de voçorocas e avaliação da erosão total para áreas de contribuição de até 8 hectares. No terceiro artigo, apresentamos uma nova metodologia para estimar produção e taxa de aporte de sedimentos baseado em eventos. A técnica acopla um método de redução de escala temporal e um modelo de transporte de sedimentos da literatura, ambos baseados no princípio da entropia máxima, uma ferramenta da Teoria da Informação que permite identificar a melhor função de densidade de probabilidade sem admitir hipóteses não comprovadas. O método proposto avaliou a produção de sedimentos com eficiência Nash-Sutcliffe de 0,96. No último artigo, estudamos a definição e os principais fatores da ocorrência de flash droughts em áreas agrícolas da Europa Central. Comparamos a identificação de flash droughts usando cinco métodos diferentes bem publicados e um proposto pelos autores considerando nossa definição de flash droughts. Um grande grau de sincronicidade de eventos individuais de flash drought foi identificado, mas também alguma divergência nos períodos de seca. Para equilibrar os pontos fortes e fracos desses métodos, sugerimos o uso de uma abordagem conjunta de múltiplos métodos e critérios para identificação de eventos. Todos os métodos foram implementados em um pacote R e também estão disponíveis em um Shiny App. |
Abstract: | During the past decades, the number of extreme weather events has increased at the same pace as the growing frequency of both unusual wet and dry weather periods. Extreme weather causes multiple natural hazards, such as floods, debris flow and oversiltation, as well as crop losses and forest fires. While hydrologists have to deal with complex processes under the urgency of the climate crisis, data to power their models can be both scarce, as in regions of the Global South, or too numerous and noisy. This scenario of unequally distributed data and (water) events was the motivation for the present dissertation. The text s driven by five questions regarding (1) gully erosion modelling, (2) sediment yield assessment in ungauged basins, (3) the key factors of flash drought, its definition and (4) how to identify such events, and (5) the tools available for hydrologists to tackle problems related to extreme weather and their impacts. These five questions led to the preparation of four scientific papers and an interactive application for flash drought identification. The first two papers deal with gully erosion modelling. In the first paper, we explore the key variables to successfully model long term erosion by gullies. We also present a physicallybased model for small permanent gullies, a common erosion process in the Brazilian Semiarid Region. In the second paper, we propose a novel equation for shear stress distribution in channel beds and walls. This equation, together with the model framework submitted in the first paper, leads to a novel entropy-based gully erosion model that allows simulation of gully erosion and assessment of total erosion for contribution areas up to 8 hectares. In the third paper, we introduce a novel methodology to assess sediment yield and delivery ratio in an event-based timeframe. The technique couples a temporal downscaling method and a well-published sediment transport model, both based on the principle of maximum entropy, a tool from Information Theory which allows the modeller to identify the best probability density function without admitting any unproven hypotheses. The proposed method presented promising results: it assessed sediment yield at a Nash-Sutcliffe Efficiency of 0.96. In the last paper, we study the definition and key factors of flash drought occurrence in Central European croplands. We compared the identification of flash droughts using five different well-published methods and one proposed by the authors under the light of our definition of flash droughts. A large degree of synchronicity of individual flash drought events was identified, but also some divergence in drought periods. So as to balance out the strengths and weaknesses of those methods, we suggested using an ensemble approach for event identification. All methods were implemented in an R package and are also available in a Shiny app for the public. |
URI: | http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/64264 |
Aparece nas coleções: | PPGENA - Teses defendidas na UFC |
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