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Tipo: Dissertação
Título: Aplicação de métodos estatísticos avançados na modelagem numérica tridimensional na análise do fluxo de percolação em barragens de terra
Título em inglês: Application of advanced statistical methods in modeling three-dimensional numerical analysis of percolation flow in earth dams
Autor(es): Lopes, Maísa de Calda
Orientador: Castro, Marco Aurélio Holanda de
Coorientador: Mendonça, Luiz Alberto Ribeiro
Palavras-chave em português: Percolação;Estatística robusta;Barragem de terra;Modelagem tridimensional
Palavras-chave em inglês: Percolation;Robust statistics;Earth dam;Three-dimensional modeling
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::RECURSOS HIDRICOS
Data do documento: 2025
Citação: LOPES, Maísa de Calda. Aplicação de métodos estatísticos avançados na modelagem numérica tridimensional na análise do fluxo de percolação em barragens de terra. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil-Recursos Hídricos) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: Os elementos do sistema de drenagem interno de uma barragem são, comumente, dimensionados com base na análise bidimensional (2D) com fluxo em regime estacionário. Porém, por se tratar de uma estrutura tridimensional (3D) com fluxo em regime transiente, essa simplificação pode levar ao subdimensionamento dos elementos de drenagem. Diante disso, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver uma metodologia utilizando a análise numérica do fluxo de percolação de uma barragem de terra, a partir de uma modelagem 3D transiente. Para validação da metodologia desenvolvida utilizou-se informações da barragem Olho D’Água, localizada no município de Várzea Alegre - CE, obtidas do projeto executivo, de relatórios de gestão da Companhia de Gestão de Recursos Hídricos (COGERH) e de trabalhos acadêmicos realizados na área. Inicialmente foram selecionados períodos de monitoramento para análise de cargas hidráulicas observadas em instrumentos instalados no maciço e na fundação, a partir da decomposição da série histórica, da verificação de dados perdidos e da detecção de outlier. Com base em informações topográficas e sondagens, utilizando o programa Surfer, construiu-se o domínio do modelo conceitual tridimensional no programa MODFLOW. A decomposição das séries referente a carga hidráulica medida a partir dos instrumentos, identificou resíduos atípicos que não seguiam a tendência ou padrões sazonais e, posteriormente foram classificados como outliers. Na análise de calibração do modelo, realizada a partir da análise de sensibilidade do modelo, foi dividida em cinco etapas nas quais foram avaliados os parâmetros hidrogeológicos e a anisotropia do meio em regime transiente. Na última etapa foram obtidos valores mínimos, entre a carga calculada e a observada de Erro Médio (EM) de 0,587m, Erro Médio Quadrático (EMQ) de 0,123, coeficiente de correlação (r) de 0,892, coeficiente de determinação (R2) de 0,796, Eficiência de Nash-Sutcliffe (ENS) de 0,645, e Erro Médio Absoluto (EAM) de 2,67m, sendo possível observar, com o avanço de cada etapa uma melhora na precisão do modelo. Na validação do modelo, foram obtidos R2 de 0,786 e ENS de 0,645, indicando uma calibração aceitável. A partir da simulação de cenário foi possível identificar problemas que não foram observados na modelagem 2D. Ademais, o MODFLOW, mostrou-se uma ferramenta eficaz não só para análise do fluxo de percolação em barragens de terra. O programa fornece informações rápidas para uma tomada de decisão, além de prever possíveis situações críticas por meio de simulações de cenários, permitindo a antecipação de medidas de ação antes de sua ocorrência, auxiliando no monitoramento e gestão de barragem de terra.
Abstract: The elements of an embankment dam’s internal drainage system are commonly dimensioned based on two-dimensional (2D) analyses under steady-state flow conditions. However, since the dam is a complex three-dimensional (3D) structure with transient flow conditions, this simplification may lead to the underestimation of drainage components. In this context, this study aims to develop a methodology based on the numerical analysis of seepage flow through the dam body and foundation, using three-dimensional transient modeling. For the validation of the proposed methodology, data from the Olho D’Água Dam, located in Várzea Alegre - CE, were used, obtained from the executive project, management reports from the Water Resources Management Company (COGERH), and academic studies conducted by Araújo (2013) and Vidal (2022). Monitoring periods were selected to analyze hydraulic heads observed in piezometers and water level recorders installed in the dam body and foundation, based on the decomposition of historical data series, verification of missing data, and outlier detection using the Minimum Volume Ellipsoid (MVE) method. Based on topographic data and borehole investigations, the conceptual 3D model domain was developed using MODFLOW, with data processed in Surfer software. The correlation analysis showed a direct relationship between water accumulation in the reservoir and the increase in hydraulic heads within the dam. The decomposition of the time series related to the hydraulic head measurements identified atypical residuals that did not follow seasonal trends or patterns, which were subsequently classified as outliers. The model calibration, performed through sensitivity analysis, was divided into five stages in which hydrogeological parameters and medium anisotropy under transient flow conditions were evaluated. The statistical parameters used in the analyses included Mean Error (ME), Root Mean Square Error (RMSE), correlation coefficient (r), coefficient of determination (R2), Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE), and Mean Absolute Error (MAE), comparing observed and simulated hydraulic heads. At the end of each stage, the evaluated hydrogeological parameters were fixed based on the most favorable statistical conditions. In the final stage, the results showed ME of 0.587 m, RMSE of 0.123, r of 0.892, R2 of 0.796, NSE of 0.645, and MAE of 2.67 m, demonstrating progressive improvements in model accuracy. For model validation, R2 of 0.786 and NSE of 0.645 were obtained, indicating satisfactory calibration. Scenario simulations allowed for assessing the efficiency of the internal drainage system, identifying issues not observed in the 2D modeling, such as seepage emergence on the downstream slope near the abutments. In steady-state 3D modeling, seepage flow through the dam body was 3.7 times greater than that obtained in the 2D modeling. Furthermore, MODFLOW, commonly used for groundwater flow modeling in large areas, proved to be an effective tool not only for analyzing seepage flow in embankment dams but also for supporting the monitoring of these structures. The application provides quick and accurate information for decision-making and allows for anticipating preventive measures through scenario simulations of potential critical conditions.
Descrição: Este documento está disponível online com base na Portaria nº 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/80904
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/2345927294637412
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0001-5134-7213
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/9250831617884112
Currículo Lattes do Coorientador: http://lattes.cnpq.br/5004750219268296
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DEHA - Dissertações defendidas na UFC

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