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Tipo: Tese
Título: Calibração automática do coeficiente de Manning em redes de drenagem urbana por inteligência computacional com análise de equifinalidade
Título em inglês: Automatic calibration of the Manning coefficient in urban drainage networks using computational intelligence with equifinality analysis
Autor(es): Araujo, Rafael Brito Aguiar de
Orientador: Castro, Marco Aurelio Holanda de
Palavras-chave em português: Calibração;Drenagem urbana;Teoria dos sistemas;SWMM;Coeficiente de Manning
Palavras-chave em inglês: Calibration;Urban drainage;System theory;SWMM;Manning coefficient
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA SANITARIA::RECURSOS HIDRICOS
Data do documento: 2025
Citação: ARAUJO, Rafael Brito Aguiar de. Calibração automática do coeficiente de manning em redes de drenagem urbana por inteligência computacional com análise de equifinalidade. 2025. 225 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil-Recursos Hídricos) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: A gestão de águas pluviais urbanas é um desafio intensificado pela urbanização, exigindo o uso de modelos hidrológicos como o SWMM. A precisão destes modelos, no entanto, depende da calibração de parâmetros sensíveis, notavelmente o coeficiente de Manning (n). Este processo é dificultado pela escassez de dados observados, pelo consumo de tempo em calibrações manuais e pelo fenômeno da equifinalidade, onde múltiplos conjuntos de parâmetros podem gerar resultados similares. A literatura estabelece as bases teóricas, mas aponta para a necessidade de abordagens híbridas que integrem inteligência computacional para superar essas limitações, especialmente na estimativa de parâmetros para locais não monitorados. Esta tese teve como objetivo desenvolver uma metodologia focada em duas ferramentas computacionais, para realizar a calibração automática do coeficiente de Manning em sub-bacias e galerias de redes de drenagem urbana. A metodologia do Programa 1 (sub-bacias) aplicou Algoritmos Genéticos (GA) para otimizar os coeficientes N-Imperv e N-Perv, implementando uma estratégia estatística para filtrar as melhores soluções, buscando mitigar a equifinalidade. A metodologia do Programa 2 (galerias) utilizou uma abordagem híbrida: aplicou o Método da Falsa Posição para a calibração de trechos com dados observados e, em seguida, utilizou esses resultados para treinar modelos de Machine Learning (ML), que estimaram os coeficientes em trechos sem dados observados. Os resultados do Programa 1 revelaram que a calibração baseada em dados de vazão de escoamento superficial é superior à baseada em dados de profundidade, permitindo a identificação quase perfeita do N-Imperv (erros < 0,2%). Contudo, o N-Perv (permeável) mostrou-se um parâmetro de difícil identificação e alta sensibilidade, cuja calibração é fortemente dependente de outras configurações do modelo, como o método de infiltração selecionado. Os resultados do Programa 2 confirmaram a eficácia da abordagem híbrida de ML, cuja precisão foi diretamente proporcional à cobertura de monitoramento da rede. A pesquisa também confirmou empiricamente a equifinalidade, ao demonstrar que grandes erros nos parâmetros de Manning podem, ainda assim, produzir erros hidraulicamente aceitáveis na lâmina d'água. O trabalho conclui que a combinação de modelos físicos, algoritmos de otimização (GA) e técnicas de aprendizado de máquina são estratégias viáveis para a calibração automática, mas que a obtenção de resultados de alta precisão em redes de drenagem permanece dependente de uma quantidade significativa de dados de monitoramento.
Abstract: Urban stormwater management is a challenge intensified by urbanization, requiring the use of hydrological models like SWMM. The precision of these models, however, depends on the calibration of sensitive parameters, notably the Manning coefficient (n). This process is hindered by the scarcity of observed data, the time-consuming nature of manual calibrations, and the equifinality phenomenon, where multiple parameter sets can yield similar results. Literature establishes theoretical foundations but points to the need for hybrid approaches that integrate computational intelligence to overcome these limitations, especially in estimating parameters for unmonitored locations. This thesis aimed to develop a methodology focused on two computational tools to perform the automatic calibration of the Manning coefficient in sub basins and conduits of urban drainage networks. The methodology of Program 1 (sub-basins) applied Genetic Algorithms (GA) to optimize the N-Imperv and N-Perv coefficients, implementing a statistical strategy to filter the best solutions, seeking to mitigate equifinality. The methodology of Program 2 (conduits) used a hybrid approach: it applied the False Position Method for the calibration of sections with observed data and then used these results to train Machine Learning (ML) models, which estimated the coefficients in sections without observed data. The results from Program 1 revealed that calibration based on surface runoff flow data is superior to that based on depth data, allowing for the nearly perfect identification of N-Imperv (errors < 0.2%). However, N-Perv (pervious) proved to be a parameter of difficult identification and high sensitivity, whose calibration is strongly dependent on other model configurations, such as the selected infiltration method. The results from Program 2 confirmed the effectiveness of the hybrid ML approach, whose precision was directly proportional to the monitoring coverage. The research also empirically confirmed equifinality by demonstrating that large errors in Manning parameters can still produce hydraulically acceptable errors in water depth. The work concludes that the combination of physical models, optimization algorithms (GA), and machine learning techniques are viable strategies for automatic calibration, but obtaining high-precision results in drainage networks remains dependent on a significant amount of monitoring data.
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/84168
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0000-0002-6193-7564
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/6422015404956679
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0001-5134-7213
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/9250831617884112
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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