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Tipo: Dissertação
Título: Assessment of the spatial distribution of lake evaporation with 3d hydrodynamic modeling
Título em inglês: Assessment of the spatial distribution of lake evaporation with 3d hydrodynamic modeling
Autor(es): Rocha, Sofia Midauar Gondim
Orientador: Lima Neto, Iran Eduardo
Coorientador: Molinas, Ernesto
Palavras-chave: Hidrodinâmica;Delft3D;Sensoriamento remoto;Evaporação
Data do documento: 2022
Citação: ROCHA, Sofia Midauar Gondim. Assessment of the spatial distribution of lake evaporation with 3d hydrodynamic modeling. 2022.95f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil: Recursos Hídricos) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil: Recursos Hídricos, Fortaleza, 2022.
Resumo: Em regiões áridas e semiáridas as taxas evaporativas são uma importante perda hídrica. Essa situação é ainda mais relevante no nordeste brasileiro, visto que esta é uma das regiões semiáridas mais populosas do mundo. Em uma realidade de baixa disponibilidade hídrica, avançar no conhecimento das complexidades envolvidas nas perdas de água superficiais junto aos processos que ocorrem na coluna d'água dos reservatórios é de extrema importância. O objetivo deste estudo é calibrar a estrutura térmica do reservatório Pentecoste, localizado no semiárido brasileiro, além de avaliar a variabilidade das taxas evaporativas na superficie utilizando o modelo tridimensional Delft3D-FLOW. Junto a isso, os resultados da espacialização da evaporação obtidos com o modelo 3D são comparados com aqueles estimados por uma técnica de sensoriamento remoto (SR). Os resultados da calibração mostraram uma reprodução precisa da variação do nível d'água (r2 de 0.997), junto a resultados satisfatórios para a estrutura térmica do reservatório (métricas para toda a coluna d'água: MAE = 0.539 ºC, RMSE = 0.572 ºC e NMAE = 0.008). Curvas relacionando a taxa evaporativa mensal com temperatura do ar e velocidade do vento foram propostas, apresentando forte coeficientes de correlação (r2 = 0.736 para temperatura do ar e 0.853 para velocidade do vento). A taxa de evaporação média diária modelada pelo Delft3D diferiu em menos de 5% dos resultados obtidos pelo SR. Com relação aos resultados da espacialização, foi observado que o critério de alagamento do modelo impacta a distribuição de calor no reservatório, com a retenção dessa energia na região adjacente à área molhada do lago. Essa condição se mostrou mais relevante para os dias com menor nível d'água. Para o dia com maior volume, a espacialização da evaporação simulada pelo modelo 3D foi semelhante à obtida por SR, dado que não há interferência na transferência de calor do modelo. No que tange à estrutura térmica, a anomalia da energia potencial (PEA) indicou a ocorrência de estratificação no período chuvoso (r2 calculado para PEA e profundidade igual a 0.33), a qual provavelmente não foi causada pelo aquecimento da superficie, mas sim pelo esfriamento da camada de fundo causado pelas baixas temperaturas da vazão de entrada. Nesse contexto, a evaporação obteve correlação negativa com PEA, apresentando um baixo coeficiente de correlação (r2 = 0.24), o que pode indicar uma alternância de correlação positiva/negativa variando com os períodos seco e chuvoso da região. Por fim, este estudo propõe uma abordagem inovadora que pode ser utilizada para otimizar a localização de técnicas de redução de evaporação, como difusores de ar, estruturas de sombreamento da superficie e painéis solares flutuantes, de forma a ser uma ferramenta no processo de fortalecimento da disponibilidade hídrica para a população.
Abstract: ln arid and semiarid environments, the evaporation rates are a main water loss. This condition is specially conceming in the Brazilian Northeast region, as this is one of the most populous semiarid areas in the planet. ln a reality of poor water availability, fully understanding the complexities involved in surface water losses along with the vertical process in a reservoir is of great importance. This study aims to calibrate the thermal structure of Pentecoste reservoir, located in the Brazilian serniarid region, and assess the variability of evaporation rates on its surface by using the tridimensional model Delft3D-FLOW. Additionally, the spatial distribution results obtained by the 3D model are compared with those estimated by a remote sensing technique (RS). The calibration results showed an accurate reproduction of the water level variability (r2 of 0.997), along with a satisfactory calibration of the reservoir's thermal structure for the full water colurnn (MAE of 0.539 ºC, RMSE of 0.572 ºC, and NMAE of 0.008). Curves relating monthly evaporation rates with air temperature and wind speed showed strong correlation between those variables (r2 of O. 734 for air temperature and O. 853 for wind speed). Also, the averaged evaporation rates modeled by Delft3D were less than 5% different from those estimated by the RS. Regarding the spatial distribution results, it was found that the drying and flooding criteria of Delft3D impacted the heat distribution in the water body, with the adjacent cells substantially retaining heat. This condition was found more relevant on the days with notably low water level. For the day with higher volume, the spatial distribution of evaporation rates was similar to that of RS, due to the occurrence of heat transfer. Regarding he thermal structure, the potential energy anomaly (PEA) results indicated stratification condition in the wet season (r2 between PEA and water depth of 0.33), which was probably induced not by the heating of the water surface, but by the cooling of the bottom layer caused by low temperature inflow. ln fact, evaporation rates showed negative correlation with PEA with a relatively low coefficient of correlation (r2 of 0.24), which could indicate altemating negative/positive correlation depending on the season. To conclude, this study brings an innovative approach which may be used to optimize the location for techniques that lower evaporation rates, such as air diffusers, shading structures, and floating solar panels, and therefore be a tool in the process of enhancing water availability for the population.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/65222
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