Modelos computacionais de aqüíferos subterrâneos podem ser construídos para auxiliar a tomada de decisão na gestão de recursos hídricos, simulando situações variadas em condições adversas e visando propor soluções para acidentes ambientais, tais como problemas de contaminação por substâncias tóxicas que afetem a qualidade da água a ser consumida. Os modelos computacionais para aqüíferos consideram o escoamento da água num meio poroso e o transporte do contaminante na água. Modelos de aproximação e discretização no tempo e no espaço como o modelo de diferenças finitas, volumes finitos e elementos finitos são geralmente utilizados com este propósito. Este trabalho apresenta uma metodologia que envolve simulações computacionais pelo método dos elementos finitos e um algoritmo genético paralelizado, para a seleção da solução mais adequada na alocação de poços de remediação, os quais irão retirar a água contaminada do aqüífero. É levado em consideração o custo financeiro como uma restrição ao esquema de despoluição buscado e a função objetivo consiste na minimização do custo e maior redução de poluente, considerando-se restrições no domínio para a alocação dos poços, variação do número de poços e capacidade de bombeamento em cada um deles. / Aquifers underground computational models can be built to help the decision making on water resource management, simulating varied situation in adverse conditions, in order to propose environmental accidents solutions, such as contamination by toxic substances problems that affect the consumed water quality. Computer models for aquifers consider the water disposal in porous medium and contaminants transport in the water. Rapprochement models and time and space discretization, as the finite differences model, finite volume and element are generally used for this purpose. This work presents a methodology involving computer simulations by the finite elements method and parallelized genetic algorithm , in order to select the most appropriate solution in well remediation allocation, which will withdraw the contaminated water from the aquifer. It was taken into account the financial cost as a restriction of the sought depollution and the objective function is to minimize the cost and increase the pollutant reduction, considering area restrictions for wells allocation, variation in the number of wells and ability to pumping in each.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:09:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 parte1.pdf: 1645628 bytes, checksum: c75e432c4723ac1c99aa6113d0adc6cb (MD5) Previous issue date: 2008-07-15 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The droughts that occur successively in the Northeast region, also reaching the littoral region and its systems of water supply, have significantly increased the groundwater use through wells. However, it is verified deficiencies of the hydrogeologic studies. The existing knowledge about aquifers, wells and its zones of protection is not still satisfactory to subsidize the efficient management of groundwater. Furthermore, it is verified the absence of specific national legislation, being present rules only in some states. The delimitation of zones of protection of wells is important to protect the systems of water supplying. The delimitation is one of the most efficient ways to protect the groundwater restricting the use of surrounding lands. In this work, the delimitation of the protection perimeters and the specific restriction zones of 30 wells used for public water supply in the urban zone of the city of João Pessoa, Paraíba, is done. The specific portuguese legislation was used as legal and theoretical reference. The perimeters had been delimited using a methodology of analytical base called method Calculated Fixed Ray, this, cited in the portuguese legislation. For better presentation of the results, a GIS (Geographic Information System) was elaborated including all the characteristics of the wells, as well as the established zones of protection. / As sucessivas secas ocorrentes na região Nordeste, inclusive atingindo a região litorânea e os seus sistemas de abastecimento de água, têm provocado aumento significativo do uso de águas subterrâneas captadas através de poços. Entretanto, verifica-se a deficiência de estudos hidrogeológicos, uma vez que o conhecimento sobre os aqüíferos, os poços existentes e suas zonas de proteção não são ainda satisfatórios para subsidiar a gestão eficiente das águas subterrâneas. Ademais, verifica-se a ausência de legislação específica nacional, existindo normas apenas em alguns estados. A delimitação de zonas de proteção de poços se faz importante para ressalvar os sistemas de abastecimento d' água. Trata-se de uma das formas mais eficazes de proteger a captação de água subterrânea restringindo o uso dos terrenos circunvizinhos. Este trabalho tem como objetivo principal realizar a delimitação de perímetros de proteção dos aqüíferos contribuintes, especificando diferentes zonas de restrição para 30 poços utilizados para abastecimento público na zona urbana do município de João Pessoa, Paraíba. Utilizou-se como referencial teórico e legal a legislação portuguesa expressa no Decreto-Lei Nº. 282/99. Os perímetros foram delimitados utilizando uma metodologia de base analítica denominada Raio Fixo Calculado, citada na referida legislação. Para melhor apresentação dos resultados, foi elaborado um SIG (Sistema de Informações Geográficas) contendo todas as características dos poços em estudo, bem como as zonas de proteção estabelecidas.

Este projeto teve como objetivo investigar a variação isotópica do oxigênio (?18O) e do hidrogênio (?D) de aqüíferos subterrâneos rasos (não confinados) em quatro regiões onde foram definidas transecções, partindo do canal principal em direção ao topo da vertente. As transecções foram estabelecidas no gradiente topográfico encontrado, em quatro sub-bacias ao longo da bacia hidrográfica do rio Piracicaba. Esta região possui uma população de aproximadamente 3,5 milhões de habitantes e uma economia baseada na agricultura e na indústria. Baseando-se em estudos anteriores sobre a variação isotópica do ?18O e ?D das águas das chuvas e dos rios (Martinelli et al. 2004), onde foi identificada uma sazonalidade nos dados e variações possivelmente associadas à utilização da água em áreas urbanas (uso industrial), os estudos foram estendidos para as fontes de águas subterrâneas (fluxo de base) para o canal principal (rio Piracicaba). A sazonalidade definida por um verão chuvoso (novembro - abril) e inverno seco (maio - outubro) foi coberta com amostragens mensais (final do período seco de 2005; período chuvoso de 2005-2006 e seco de 2006) e quinzenais (período chuvoso 2006-2007) das águas da chuva, de poços rasos, nascentes e rios que drenam as sub-bacias estudadas. Os valores do ?18O e do ?D encontrados na precipitação acumulada entre coletas nas sub-áreas apresentaram maiores variações (extremos; ?18O médio de -0,4 a -13,0? ) quando comparados aos valores das águas superficiais (?18O médio de -5,1 a -9,2? ) e subterrâneas (?18O médio de -6,9 a -7,1? ), sendo que as últimas (poços rasos e nascentes) apresentaram variações ainda menores ao longo do período estudado. A precipitação e o escoamento de base possuem composição isotópica do ?18O relativamente distintas, uma vez que a média ponderada da precipitação (-8,6? observada para o período estudado) foi diferente dos valores médios encontrados nas águas subterrâneas não confinadas (-7,0? em média). O escoamento superficial para o canal principal (rio Piracicaba) teve seu valor isotópico influenciado pela precipitação no período das chuvas (podendo apresentar variações dentro deste período), caso contrário, os sinais isotópicos das águas superficiais seriam mais semelhantes aos sinais isotópicos encontrados no fluxo de base, caracterizando a contribuição deste na manutenção das menores vazões. Contudo, observou-se que o valor médio do ?18O de todos os rios e ribeirões estudados (-5,7? ) foi cerca de 1,2? mais enriquecido do que o valor médio dos poços e nascentes (-6,9? ), no período seco. As amplitudes do ?18O encontradas nxa precipitação e água subterrânea não confinada foram utilizadas em estimativas do tempo de residência médio da água no aqüífero lívre como uma primeira aproximação. / This project had the objective to investigate the oxygen (?18O) and hydrogen (?D) isotopic variation of shallow unconfined aquifers in four regions, in transects defined from the river to the limit of the drainage area. The transects were established within a topographical gradient in four sub-catchments of the Piracicaba river hydrographic basin. The population in this basin is almost three and a half millions inhabitants and an economy based on agriculture and industry is responsible for about 10% of the total Brazilian gross production. Based on a well documented isotopic variation of rainwater and river water done previously (Martinelli et al. 2004), where data seasonality and a possible variation related to water use in urban areas were identified, the studies were extended to the groundwater (baseflow) sources to the major channel (Piracicaba river) of the basin. The seasonality defined by a wet summer (november - april) and a dry winter (may - september) was covered with monthly (end of dry season of 2005; rainy season of 2005-2006 and dry season of 2006) and every two weeks sampling (rainy season 2006-2007) of rain water, shallow wells, springs and surface water (rivers) that drain the studied sub-basins. The ?18O and ?D individual values of composite precipitation in the studied sub-areas presented higher variation (extreme values; mean ?18O from -0,4 to -13,0? ) when compared to the values found for surface water (mean ?18O from -5,1 to -9,2? ) and groundwater (wells and springs; mean ?18O from -6,9 a -7,1? ), being the values of groundwater almost constant within the studied period. Precipitation and baseflow have relative different isotopic composition of ?18O, once the weighted average of precipitation (-8,6? observed for the whole studied period) is different from the average values found for unconfined groundwater (-7,0? in average). Values of surface runoff to the main channel (Piracicaba river) were similar to those found in precipitation in the rainy season (presenting variations within this period), otherwise, the isotopic signals of surface water were rather more similar to those found in baseflow, characterizing the contribution of baseflow in the lower flows. However, average value of ?18O of all rivers and streams studied (-5,7? ) were about 1,2? more enriched than the average value of wells and springs (-6,9? ) in the dry season. The amplitudes of ?18O found in precipitation and groundwater were used as a first aproximation to estimate mean residence time of unconfined groundwater.

O método de elementos analíticos simula escoamentos subterrâneos por meio da superposição de soluções conceituais. No contexto do método, inomogeneidade é uma região bem definida de condutividade hidráulica constante. A diferença de condutividade hidráulica entre a inomogeneidade e o meio em que está inserida causa uma descontinuidade (salto) no potencial de descarga. Tradicionalmente este salto é simulado usando polinômios de primeiro ou segundo grau. O presente trabalho usa polinômios splines quadráticos para interpolar os saltos ocorridos no potencial de descarga ao longo das bordas de inomogeneidades. Paralelamente, a formulação tradicional de interpolação dos saltos no potencial de descarga é estendida para qualquer grau. Os principais elementos que compõe o método são descritos e implementados. O programa computacional resultante (AEM) foi desenvolvido integrado a um sistema de informações geográficas de código-aberto (JUMP). O programa permite a integração com outros sistemas de informações geográficas baseados em JAVA, guardando independência do SIG residente. O projeto do programa AEM/JUMP é baseado na programação orientada a objetos e apresentou grande afinidade com o método de elementos analíticos, havendo identificação entre os conceitos de elemento (usado pelo método) e de objeto (usado pela programação). Conceitos de padrões de projeto são utilizados objetivando ampliar as facilidades de leitura, entendimento, otimização e modificação do código fonte, já disponibilizadas pela programação orientada a objetos. Problemas conceituais são abordados usando as formulações propostas. A interpolação por splines quadráticas mostrou-se eficiente e precisa. Considerando as soluções exatas, o erro médio sobre a área de estudo foi inferior a 0,12%. O AEM/JUMP foi aplicado à região da Lagoa do Bonfim - RN com o objetivo de determinar as isolinhas de cargas hidráulicas. Os resultados foram comparados com estudo anterior, onde obteve resultados compatíveis, comprovando a aplicação do método e de sua implementação. Foram incorporadas ao problema da Lagoa do Bonfim características geométricas do contorno do oceano e de aluviões existentes no entorno da lagoa, demonstrando a utilidade do programa para gerar diferentes cenários de simulação. / The analytical elements method simulates underground draining through the superposition of conceptual solutions. In the method\'s context, inhomogeneity in defined as a clearly set region of constant hydraulic conductivity. Inhomogeneity hydraulic conductivity differences and the environment in which they are inserted cause a discontinuity (jump) in the discharge potential. Traditionally, this jump is simulated using first or second degree polynomials.The present work presents a formulation that uses quadratic spline polynomials to interpolate jumps occurred in the discharge potential through inhomogeneity borders. At the same time, the traditional formulation of discharge potential jump interpolation is extended to any degree. The main elements that compose the method are described and implemented. The resulting computational program (AEM) was developed integrated to an open code geographic information system (JUMP). The program permits the integration with other geographic information systems based on JAVA, keeping its independence from resident SIG. The architecture project program AEM/JUMP is based on object-oriented programming and presented great affinity with the analytical element method, showing identification among element concepts (used by the method) and the object (used by the program). Standard project concepts are used, seeking to widen source code reading possibilities, understanding, optimization and modifications already available through the object-oriented programming. Conceptual problems are approached with proposed formulations. Quadratic spline interpolation proved to be efficient and precise. Considering exact solutions, average mistake on study area was lower than 0.12%. AEM/JUMP was applied to the Lagoa do Bonfim (RN) lake region with the aim of establishing hydraulic charge isolines. Results were compared with the previous study, where compatible results had been obtained, thus proving method feasibility and implementation. Geometric features of surrounding areas and alluvion regions present around the lake area were incorporated to the original problem, demonstrating the usefulness of the program to generate different simulation scenarios.

Made available in DSpace on 2015-03-04T18:51:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao_franklin_joffly_lima.pdf: 4781146 bytes, checksum: 19855560682e6f10b865e23078063821 (MD5) Previous issue date: 2008-06-16 / Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Aquifers underground computational models can be built to help the decision making on water resource management, simulating varied situation in adverse conditions, in order to propose environmental accidents solutions, such as contamination by toxic substances problems that affect the consumed water quality. Computer models for aquifers consider the water disposal in porous medium and contaminants transport in the water. Rapprochement models and time and space discretization, as the finite differences model, finite volume and element are generally used for this purpose. This work presents a methodology involving computer simulations by the finite elements method and parallelized genetic algorithm , in order to select the most appropriate solution in well remediation allocation, which will withdraw the contaminated water from the aquifer. It was taken into account the financial cost as a restriction of the sought depollution and the objective function is to minimize the cost and increase the pollutant reduction, considering area restrictions for wells allocation, variation in the number of wells and ability to pumping in each. / Modelos computacionais de aqüíferos subterrâneos podem ser construídos para auxiliar a tomada de decisão na gestão de recursos hídricos, simulando situações variadas em condições adversas e visando propor soluções para acidentes ambientais, tais como problemas de contaminação por substâncias tóxicas que afetem a qualidade da água a ser consumida. Os modelos computacionais para aqüíferos consideram o escoamento da água num meio poroso e o transporte do contaminante na água. Modelos de aproximação e discretização no tempo e no espaço como o modelo de diferenças finitas, volumes finitos e elementos finitos são geralmente utilizados com este propósito. Este trabalho apresenta uma metodologia que envolve simulações computacionais pelo método dos elementos finitos e um algoritmo genético paralelizado, para a seleção da solução mais adequada na alocação de poços de remediação, os quais irão retirar a água contaminada do aqüífero. É levado em consideração o custo financeiro como uma restrição ao esquema de despoluição buscado e a função objetivo consiste na minimização do custo e maior redução de poluente, considerando-se restrições no domínio para a alocação dos poços, variação do número de poços e capacidade de bombeamento em cada um deles.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:00:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissTY.pdf: 2959769 bytes, checksum: 4d21b1f71cb65b61995bffa76823c7ad (MD5) Previous issue date: 2007-08-08 / Financiadora de Estudos e Projetos / Nearly 97% of all fresh water available to humankind lies beneath the soil, as underground water, which makes scientists increasingly worried about its pollution. Important studies carried out in several regions of the world show that many fresh water resources have already been impacted by potentially pollution sources, especially by residues of agricultural, industrial and/or domestic origin. As a result, the UN has warned that by 2025 approximately 2.7 billion people worldwide will face serious shortage. What is more, protection of groundwater cannot be postponed since it is difficult and impractical to remove pollutants from local sources (wells) and very costly to decontaminate vast reservoirs. In consideration of this, the objective of this study was to elaborate a thematic, guiding cartographic document that qualitatively focused on natural vulnerability to pollutants of groundwater within the perimeter and urban areas of São Carlos, SP, Brazil, by means of GOD methodology and SPRING 4.2 - Inpe geoprocessing software. This document was also intended to assist the city administration in future planning and establishment of public policies aimed at protecting its groundwater resources. / Mais ou menos 97% da água doce disponível para uso da humanidade encontra-se no subsolo, na forma de água subterrânea. Isso fez com que a preocupação com a contaminação das águas subterrâneas tenha aumentado no meio científico. Importantes estudos desenvolvidos em várias regiões do mundo têm mostrado que os recursos hídricos estão sendo atingidos por fontes potencialmente poluentes, oriundas principalmente de produtos utilizados na agricultura, na indústria e na disposição dos resíduos. A Organização das Nações Unidas já alertou: em 2025, cerca de 2,7 bilhões de pessoas, em todo o mundo, enfrentarão a falta d água potável. Esse fato implica em especial preocupação com a proteção das águas subterrâneas devido à dificuldade e a impraticabilidade de se promover à remoção de poluentes de fontes pontuais de captação (poços) e devido ao fato de que a reabilitação de um aqüífero poluído requer custos muitos elevados. Neste sentido, esta pesquisa tem por objetivo elaborar um documento cartográfico temático preventivo que enfoque qualitativamente a vulnerabilidade natural à poluição das águas sub-superficiais da área urbana e peri-urbana de São Carlos-SP, com a utilização do método GOD e geoprocessamento com o software SPRING 4.2 Inpe. Que possa futuramente subsidiar o poder público municipal no planejamento e desenvolvimento de políticas de proteção dos recursos hídricos subterrâneos do município de São Carlos - SP.

O método de elementos analíticos simula escoamentos subterrâneos por meio da superposição de soluções conceituais. No contexto do método, inomogeneidade é uma região bem definida de condutividade hidráulica constante. A diferença de condutividade hidráulica entre a inomogeneidade e o meio em que está inserida causa uma descontinuidade (salto) no potencial de descarga. Tradicionalmente este salto é simulado usando polinômios de primeiro ou segundo grau. O presente trabalho usa polinômios splines quadráticos para interpolar os saltos ocorridos no potencial de descarga ao longo das bordas de inomogeneidades. Paralelamente, a formulação tradicional de interpolação dos saltos no potencial de descarga é estendida para qualquer grau. Os principais elementos que compõe o método são descritos e implementados. O programa computacional resultante (AEM) foi desenvolvido integrado a um sistema de informações geográficas de código-aberto (JUMP). O programa permite a integração com outros sistemas de informações geográficas baseados em JAVA, guardando independência do SIG residente. O projeto do programa AEM/JUMP é baseado na programação orientada a objetos e apresentou grande afinidade com o método de elementos analíticos, havendo identificação entre os conceitos de elemento (usado pelo método) e de objeto (usado pela programação). Conceitos de padrões de projeto são utilizados objetivando ampliar as facilidades de leitura, entendimento, otimização e modificação do código fonte, já disponibilizadas pela programação orientada a objetos. Problemas conceituais são abordados usando as formulações propostas. A interpolação por splines quadráticas mostrou-se eficiente e precisa. Considerando as soluções exatas, o erro médio sobre a área de estudo foi inferior a 0,12%. O AEM/JUMP foi aplicado à região da Lagoa do Bonfim - RN com o objetivo de determinar as isolinhas de cargas hidráulicas. Os resultados foram comparados com estudo anterior, onde obteve resultados compatíveis, comprovando a aplicação do método e de sua implementação. Foram incorporadas ao problema da Lagoa do Bonfim características geométricas do contorno do oceano e de aluviões existentes no entorno da lagoa, demonstrando a utilidade do programa para gerar diferentes cenários de simulação. / The analytical elements method simulates underground draining through the superposition of conceptual solutions. In the method\'s context, inhomogeneity in defined as a clearly set region of constant hydraulic conductivity. Inhomogeneity hydraulic conductivity differences and the environment in which they are inserted cause a discontinuity (jump) in the discharge potential. Traditionally, this jump is simulated using first or second degree polynomials.The present work presents a formulation that uses quadratic spline polynomials to interpolate jumps occurred in the discharge potential through inhomogeneity borders. At the same time, the traditional formulation of discharge potential jump interpolation is extended to any degree. The main elements that compose the method are described and implemented. The resulting computational program (AEM) was developed integrated to an open code geographic information system (JUMP). The program permits the integration with other geographic information systems based on JAVA, keeping its independence from resident SIG. The architecture project program AEM/JUMP is based on object-oriented programming and presented great affinity with the analytical element method, showing identification among element concepts (used by the method) and the object (used by the program). Standard project concepts are used, seeking to widen source code reading possibilities, understanding, optimization and modifications already available through the object-oriented programming. Conceptual problems are approached with proposed formulations. Quadratic spline interpolation proved to be efficient and precise. Considering exact solutions, average mistake on study area was lower than 0.12%. AEM/JUMP was applied to the Lagoa do Bonfim (RN) lake region with the aim of establishing hydraulic charge isolines. Results were compared with the previous study, where compatible results had been obtained, thus proving method feasibility and implementation. Geometric features of surrounding areas and alluvion regions present around the lake area were incorporated to the original problem, demonstrating the usefulness of the program to generate different simulation scenarios.