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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/82647| Type: | Tese |
| Title: | Medição de vazão em rios utilizando o método de Chiu e velocimetria por imagem de partículas |
| Title in English: | Measuring river flows using the Chiu method and particle image velocimetry |
| Authors: | Rodrigues, Rodrigo Mendes |
| Advisor: | Costa, Carlos Alexandre Gomes |
| Keywords in Brazilian Portuguese : | Hidráulica;Hidrometria;Canais abertos;Velocidade de fluxo;Monitoramento em rios |
| Keywords in English : | Hydraulics;Hydrometry;Open channels;Flow velocity;River monitoring |
| Knowledge Areas - CNPq: | CNPQ::CIENCIAS AGRARIAS::ENGENHARIA AGRICOLA |
| Issue Date: | 2025 |
| Citation: | RODRIGUES, Rodrigo Mendes. Medição de vazão em rios utilizando o método de Chiu e velocimetria por imagem de partículas. 2025. 144 f. Tese (Doutorado em Engenharia Agrícola) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025. |
| Abstract in Brazilian Portuguese: | O escoamento em rios resulta da interação complexa entre processos hidrológicos e fenômenos hidrodinâmicos. A incerteza associada a esse escoamento representa um desafio central nas áreas de hidráulica e hidrologia, especialmente no que se refere à estimativa da vazão e à caracterização da distribuição espaço-temporal da velocidade da água. O método de Chiu, com base em uma abordagem probabilística, tem sido empregado para reduzir essas incertezas ao permitir a estimativa da vazão com base em dados de velocidade da superfície livre. A presente pesquisa tem como objetivo principal estimar a vazão em rios do semiárido brasileiro por meio da associação entre o método de Chiu e a técnica de velocimetria por imagens de partículas (LSPIV). A investigação foi dividida em duas etapas: (I) análise da variabilidade do coeficiente entrópico de Chiu em três escalas espaciais (seção transversal, trecho de rio e bacia hidrográfica); e (II) avaliação da eficiência da combinação entre o método de Chiu e o LSPIV na estimativa de vazões. Na primeira etapa, foram utilizados dados hidrométricos da COGERH (2017–2022), com 667 medições em doze seções do rio Acaraú. A estimativa do coeficiente entrópico - ϕ(M) e da velocidade máxima foi realizada via minimização do erro quadrático médio (RMSE), enquanto as análises estatísticas incluíram estatística descritiva, ANOVA, intervalos de confiança e análise de clusters. A calibração e validação de ϕ(M) foram feitas com o coeficiente de eficiência de Nash-Sutcliffe (NSE). Os resultados mostraram que o coeficiente ϕ(M) apresentou uma média global de 0,69 e coeficiente de variação de 12%, enquanto o parâmetro M teve uma média de 2,85 e CV de 60%. O modelo teve bom desempenho em todas as escalas, com valores de NSE acima de 0,6; sendo que na escala da bacia hidrográfica os valores foram os mais altos: 0,95 na calibração e 0,92 na validação. Na segunda etapa, foi avaliada a eficiência da combinação entre o método de Chiu e o LSPIV para estimar vazões. Três abordagens foram aplicadas: (i) método de referência com ADV e flutuadores; (ii) LSPIV combinado ao método de Chiu com coeficiente ϕ calibrado; e (iii) LSPIV com Chiu e distribuição elíptica. As medições foram realizadas em seis seções do rio Acaraú. O método (ii) apresentou erro médio absoluto de 20,7%, sendo mais preciso que o método (iii), com erro de 23,27%. A precisão foi afetada por fatores como a calibração do coeficiente ϕ, a qualidade das imagens, o posicionamento da câmera e a quantidade de pontos de controle (GCPs). Concluiu-se que, apesar das limitações operacionais, a integração entre o método de Chiu e o LSPIV é uma solução promissora, de baixo custo e não intrusiva para o monitoramento de vazões em rios de pequeno e médio porte em regiões semiáridas. |
| Abstract: | River flow results from the complex interaction between hydrological processes and hydrodynamic phenomena. The uncertainty associated with this flow presents a central challenge in the fields of hydraulics and hydrology, particularly regarding discharge estimation and the characterization of the spatiotemporal distribution of water velocity. The Chiu method, based on a probabilistic approach, has been employed to reduce these uncertainties by enabling discharge estimation from surface velocity data.This research aims to estimate streamflow in rivers of the Brazilian semi-arid region through the combined use of the Chiu method and Large-Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV). The study was divided into two stages: (I) analysis of the variability of Chiu’s entropy coefficient across three spatial scales (cross-section, river reach, and watershed); and (II) evaluation of the effectiveness of combining the Chiu method with LSPIV for streamflow estimation.In the first stage, hydrometric data from COGERH (2017–2022) were used, encompassing 667 discharge measurements across twelve cross-sections of the Acaraú River. The estimation of the entropy coefficient ϕ(M) and maximum velocity was performed using root mean square error (RMSE) minimization. Statistical analysis included descriptive statistics, ANOVA, confidence intervals, and cluster analysis. Calibration and validation of ϕ(M) were carried out using the Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) coefficient. Results showed that ϕ(M) had a global mean of 0.69 with a coefficient of variation (CV) of 12%, indicating relative stability across scales, whereas the M parameter had a global mean of 2.85 and a CV of 60%, indicating higher variability. The model performed well at all spatial scales, with NSE values above 0.6. The best performance occurred at the watershed scale, with NSE values of 0.95 for calibration and 0.92 for validation.In the second stage, the efficiency of combining the Chiu method with LSPIV for discharge estimation was evaluated. Three approaches were tested: (i) reference method using ADV and floaters; (ii) LSPIV combined with the Chiu method using a calibrated ϕ coefficient; and (iii) LSPIV with the Chiu method and elliptical distribution refinement. Measurements were conducted at six cross-sections of the Acaraú River. Method (ii) yielded the best results, with an average absolute error of 20.7%, outperforming method (iii), which had an error of 23.27%. The accuracy of the estimates was influenced by factors such as ϕ coefficient calibration, image quality, camera positioning, and the number of ground control points (GCPs). The study concluded that, despite operational limitations, integrating LSPIV with the Chiu method is a promising, low-cost, and non-intrusive solution for monitoring discharge in small to medium-sized rivers, especially in semi-arid regions. |
| URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/82647 |
| Author's ORCID: | https://orcid.org/0000-0003-2202-3206 |
| Author's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/9829448141331452 |
| Advisor's ORCID: | https://orcid.org/0000-0002-3191-8581 |
| Advisor's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/9346087418658759 |
| Access Rights: | Acesso Aberto |
| Appears in Collections: | PPGENA - Teses defendidas na UFC |
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