Camadas de mistura estratificadas estão presentes na natureza, seja na atmosfera devido à interação entre as correntes de ar ou no encontro da água doce com o meio oceânico. A estratificação enfraquece movimentos verticais, influenciando a mistura de nutrientes e a distribuição de partículas biológicas e químicas. A combinação de forças externas e características topográficas, como a declividade, resulta em vários tipos de instabilidades na interface da camada cisalhante. O objetivo principal deste trabalho é analisar como o grau da estratificação e a declividade influenciam a amplificação das perturbações geradas em uma camada de mistura estavelmente estratificada. Configurações temporais e espaciais por meio da Simulação Numérica Direta (DNS ), para diferentes números de Richardson (RiH) e declividades (θ), são empregadadas para compreender o processo físico da mistura e as importantes estruturas que se formam. As simulações temporais são comparadas com a análise de estabilidade linear por meio das aproximações de Chebyshev. Estes testes permitem validar o código numérico e estudar o comportamento das taxas máximas de amplificação. Para as simulações espaciais, o efeito da estratificação reduz a taxa de crescimento das perturbações, enquanto o efeito da declividade acelera o desenvolvimento de instabilidades. Simulações espaciais bidimensionais são empregadas para examinar a camada baroclínica e a evolução das instabilidades primárias e secundárias de Kelvin-Helmholtz. Os resultados obtidos em simulações espaciais tridimensionais apresentam a formação das instabilidades translativas e o desenvolvimento de vórtices longitudinais que são mais intensos para o caso homogêneo. O nível de estratificação e declividade interfere na dinâmica do escoamento tridimensional, especificamente, na geração das instabilidades primária e secundária influenciando no fluxo turbulento vertical de massa. / Stratified mixing layer are found in nature, either in the atmosphere due to the interaction between air currents or in the merging of fresh and salt water. The stratification weakens vertical motions, influencing the mixture of nutrient and the distribution of biological and chemical particles. The combination of external forces and topographic features, such as the slope, results in various types of instabilities in the shear layer interface. The main objective of this work is to analyze how the degree of stratification and the slope influence the amplification of perturbations generated in a stably stratified mixing layer. Temporal and spatial configurations are used in Direct Numerical Simulation (DNS ) for different Richardson numbers (RiH) and slopes (θ) in order to better understand the physical mixing process and the important structures that are formed. The temporal simulations are compared with the linear stability analysis through Chebyshev approximations. These tests allow the validation of the numerical code and the study of the behavior of the maximum rates of amplification. For spatial simulations, the stratification effect reduces the perturbation growth rate while the slope effect accelerates the development of instabilities. Spatially simulations are employed to examine the baroclinic layer and the evolution of primary and secondary Kelvin-Helmholtz instabilities. The results obtained in three-dimensional spatial simulations show the formation of the translative instability and development of longitudinal vortices that are more intense for the homogeneous case. The level of stratification and slope influence the dynamics of three-dimensional flow, specifically, the generation of primary and secondary instabilities, influencing the turbulent buoyancy flux.

Camadas de mistura estratificadas estão presentes na natureza, seja na atmosfera devido à interação entre as correntes de ar ou no encontro da água doce com o meio oceânico. A estratificação enfraquece movimentos verticais, influenciando a mistura de nutrientes e a distribuição de partículas biológicas e químicas. A combinação de forças externas e características topográficas, como a declividade, resulta em vários tipos de instabilidades na interface da camada cisalhante. O objetivo principal deste trabalho é analisar como o grau da estratificação e a declividade influenciam a amplificação das perturbações geradas em uma camada de mistura estavelmente estratificada. Configurações temporais e espaciais por meio da Simulação Numérica Direta (DNS ), para diferentes números de Richardson (RiH) e declividades (θ), são empregadadas para compreender o processo físico da mistura e as importantes estruturas que se formam. As simulações temporais são comparadas com a análise de estabilidade linear por meio das aproximações de Chebyshev. Estes testes permitem validar o código numérico e estudar o comportamento das taxas máximas de amplificação. Para as simulações espaciais, o efeito da estratificação reduz a taxa de crescimento das perturbações, enquanto o efeito da declividade acelera o desenvolvimento de instabilidades. Simulações espaciais bidimensionais são empregadas para examinar a camada baroclínica e a evolução das instabilidades primárias e secundárias de Kelvin-Helmholtz. Os resultados obtidos em simulações espaciais tridimensionais apresentam a formação das instabilidades translativas e o desenvolvimento de vórtices longitudinais que são mais intensos para o caso homogêneo. O nível de estratificação e declividade interfere na dinâmica do escoamento tridimensional, especificamente, na geração das instabilidades primária e secundária influenciando no fluxo turbulento vertical de massa. / Stratified mixing layer are found in nature, either in the atmosphere due to the interaction between air currents or in the merging of fresh and salt water. The stratification weakens vertical motions, influencing the mixture of nutrient and the distribution of biological and chemical particles. The combination of external forces and topographic features, such as the slope, results in various types of instabilities in the shear layer interface. The main objective of this work is to analyze how the degree of stratification and the slope influence the amplification of perturbations generated in a stably stratified mixing layer. Temporal and spatial configurations are used in Direct Numerical Simulation (DNS ) for different Richardson numbers (RiH) and slopes (θ) in order to better understand the physical mixing process and the important structures that are formed. The temporal simulations are compared with the linear stability analysis through Chebyshev approximations. These tests allow the validation of the numerical code and the study of the behavior of the maximum rates of amplification. For spatial simulations, the stratification effect reduces the perturbation growth rate while the slope effect accelerates the development of instabilities. Spatially simulations are employed to examine the baroclinic layer and the evolution of primary and secondary Kelvin-Helmholtz instabilities. The results obtained in three-dimensional spatial simulations show the formation of the translative instability and development of longitudinal vortices that are more intense for the homogeneous case. The level of stratification and slope influence the dynamics of three-dimensional flow, specifically, the generation of primary and secondary instabilities, influencing the turbulent buoyancy flux.

Camadas de mistura estratificadas estão presentes na natureza, seja na atmosfera devido à interação entre as correntes de ar ou no encontro da água doce com o meio oceânico. A estratificação enfraquece movimentos verticais, influenciando a mistura de nutrientes e a distribuição de partículas biológicas e químicas. A combinação de forças externas e características topográficas, como a declividade, resulta em vários tipos de instabilidades na interface da camada cisalhante. O objetivo principal deste trabalho é analisar como o grau da estratificação e a declividade influenciam a amplificação das perturbações geradas em uma camada de mistura estavelmente estratificada. Configurações temporais e espaciais por meio da Simulação Numérica Direta (DNS ), para diferentes números de Richardson (RiH) e declividades (θ), são empregadadas para compreender o processo físico da mistura e as importantes estruturas que se formam. As simulações temporais são comparadas com a análise de estabilidade linear por meio das aproximações de Chebyshev. Estes testes permitem validar o código numérico e estudar o comportamento das taxas máximas de amplificação. Para as simulações espaciais, o efeito da estratificação reduz a taxa de crescimento das perturbações, enquanto o efeito da declividade acelera o desenvolvimento de instabilidades. Simulações espaciais bidimensionais são empregadas para examinar a camada baroclínica e a evolução das instabilidades primárias e secundárias de Kelvin-Helmholtz. Os resultados obtidos em simulações espaciais tridimensionais apresentam a formação das instabilidades translativas e o desenvolvimento de vórtices longitudinais que são mais intensos para o caso homogêneo. O nível de estratificação e declividade interfere na dinâmica do escoamento tridimensional, especificamente, na geração das instabilidades primária e secundária influenciando no fluxo turbulento vertical de massa. / Stratified mixing layer are found in nature, either in the atmosphere due to the interaction between air currents or in the merging of fresh and salt water. The stratification weakens vertical motions, influencing the mixture of nutrient and the distribution of biological and chemical particles. The combination of external forces and topographic features, such as the slope, results in various types of instabilities in the shear layer interface. The main objective of this work is to analyze how the degree of stratification and the slope influence the amplification of perturbations generated in a stably stratified mixing layer. Temporal and spatial configurations are used in Direct Numerical Simulation (DNS ) for different Richardson numbers (RiH) and slopes (θ) in order to better understand the physical mixing process and the important structures that are formed. The temporal simulations are compared with the linear stability analysis through Chebyshev approximations. These tests allow the validation of the numerical code and the study of the behavior of the maximum rates of amplification. For spatial simulations, the stratification effect reduces the perturbation growth rate while the slope effect accelerates the development of instabilities. Spatially simulations are employed to examine the baroclinic layer and the evolution of primary and secondary Kelvin-Helmholtz instabilities. The results obtained in three-dimensional spatial simulations show the formation of the translative instability and development of longitudinal vortices that are more intense for the homogeneous case. The level of stratification and slope influence the dynamics of three-dimensional flow, specifically, the generation of primary and secondary instabilities, influencing the turbulent buoyancy flux.

A tese investigou o uso de uma ferramenta computacional para avaliar a dinâmica espaço-temporal do metabolismo em ecossistemas aquáticos onde a hidrodinâmica possui papel de destaque na estruturação das comunidades planctônicas. A modelagem matemática foi realizada utilizando o modelo IPH-ECO, uma ferramenta computacional complexa capaz de integrar processos físicos, químicos e biológicos em três dimensões. O trabalho foi dividido em quatro capítulos principais, tendo como base os processos físicos e biológicos que influenciam as estimativas de metabolismo (Capítulos #02 e #03) e melhorias nos métodos numéricos utilizados no modelo IPH-ECO (Capítulos #04 e #05). Os primeiros dois capítulos apresentam o desenvolvimento e aplicação de um algoritmo computacional capaz de quantificar as estimativas de metabolismo aquático baseado (em termos de Produção Primária Bruta - GPP, Respiração do ecossistema - R e Produção Líquida do Ecossistema - NEP = GPP - R) em processos biológicos individuais que influenciam o balanço de oxigênio dissolvido em ecossistemas aquáticos (e.g., respiração de zooplâncton, produção primária de macrófitas aquáticas). A implementação deste algoritmo no modelo IPH-ECO permitiu quantificar as estimativas de metabolismo aquático na Lagoa Mangueira, sul do Brasil, avaliando a importância relativa de diferentes processos individuais e o efeito da hidrodinâmica sobre os processos que compõem o metabolismo da lagoa. O metabolismo aquático da Lagoa Mangueira apresentou um gradiente espacial com maiores valores na região Litorânea e menores na região Pelágica. Além da heterogeneidade espacial, foi possível observar uma heterogeneidade temporal, com valores de produção primária mais elevados durante o verão e primavera e menores durante o inverno e outono. Esta heterogeneidade espacial e temporal acarreta em alterações no estado trófico (autotrófico - NEP positivo ou heterotrófico - NEP negativo) da lagoa, dependendo do local sendo avaliado (zona litorânea ou zona pelágica) e da época do ano. A simulação de diferentes cenários de vento (cinco no total) demonstraram que os padrões de circulação da água podem alterar a dinâmica das estimativas de metabolismo na Lagoa Mangueira, alterando a forma como o sistema é classificado (autotrofia vs. heterotrofia) e influenciando os diferentes processos biológicos que compõem estas estimativas. Os Capítulos #04 e #05 apresentam o desenvolvimento de um novo esquema numérico visando auxiliar na simulação de problemas de qualidade de água. O novo esquema é baseado no método dos Volumes Finitos e permite a integração numérica de equações de transporte utilizando um passo de tempo localizado, calculado a partir da condição de estabilidade de Courant-Friedrich-Lewy (condição CFL). A nova solução numérica é diretamente acoplada a um modelo hidrodinâmico tridimensional em grades triangulares não-estruturadas (e.g, modelo UnTRIM), que utiliza uma solução numérica semi-implícita (Crank-Nicholson) baseada em diferenças finitas e volumes finitos. Diferentes testes clássicos e idealizados são simulados e é realizada uma comparação entre o método com esquema numérico localizado (LTS - Local Time Stepping) e o método tradicional (GTS - Global Time Stepping). Ambos os métodos se mostraram conservativos considerando uma, duas e três dimensões, e ainda foi respeitada uma condição de estabilidade baseada nos valores máximos e mínimos sendo transportados (i.e., não são criados novos valores máximos nem mínimos). Os métodos também foram avaliados de forma acoplada com escoamentos a superfície livre, levando em conta substâncias conservativas e não-conservativas (e.g., balanço de temperatura na água), assim como situações onde a hidrodinâmica é controlada por vento (forte mistura vertical e horizontal) e onde a hidrodinâmica é controlada por um gradiente de pressão (e.g., maré). Além disso, situações onde a secagem e inundação de células computacionais ocorrem foram testadas e os métodos se mostraram estáveis e conservativos. O esquema numérico LTS se mostrou mais rápido do ponto de vista computacional, exigindo menos tempo de simulação em praticamente todos os testes realizados. Além disso, o esquema mostrou resultados similares ao obtidos utilizando o esquema GTS tradicional. Os testes mostraram que a eficiência do esquema LTS é maior quando ocorre a combinação de altas velocidades e pequenos elementos (alta restrição dada pela condição CFL), como a simulação da interface entre rios e lagos, entradas de água rápida (e.g., tromba d’água, Dam-Break) e estuários (efeito de maré). / This thesis investigated the use of a mathematical model to evaluate the space-time dynamics of aquatic metabolism in ecossystems where hydrodynamics plays a key role in structuring the planktonic community. The mathematical model used was the IPH-ECO model, a complex tridimensional model capable of integrating physical, chemical, and biological processes in aquatic environments. The thesis was divided into four main chapters with focus in studying the biological processes and aquatic metabolism estimates (Chapters #2 and #3), and also the improvement of numerical methods used in the IPH-ECO model (Chapters #4 and #5). The first two chapters show the development and application of a computational algorithm capable of quantifying the aquatic metabolism estimates (in terms of Gross Primary Production - GPP, Ecosystem Respiration - R, and Net Ecosystem Production - NEP = GPP-R) based on individual biological processes affecting the dissolved oxygen budget in aquatic ecosystems (e.g., zooplankton respiration, aquatic macrophyte primary production). The numerical algorithm implemented on the IPH-ECO model allowed the quantification of aquatic metabolism estimates (GPP, R, and NEP) at Lake Mangueira, South of Brazil, and the evaluation of the relative importance of different individual processes and how the lake hydrodynamic can change the complex dynamics of the biological processes comprising the lake metabolism estimates. Lake Mangueira’s metabolism estimations showed a well-marked spatial gradient with higher values observed in the littoral zone and lower values observed in the pelagic zone. Besides the spatial heterogeneity, it was also possible to notice a strong seasonal heterogeneity, with increased values of GPP and R during summer and spring and lower values during winter and autumn. This space-time heterogeneity leads to a switching in the trophic state of the lake (autotrophic - Positive NEP or heteotrophic - Negative NEP), depending on the site being evaluated (littoral or pelagic) and also the time of the year being assessed. The simulation of different wind scenarios (a total of five) showed that the water circulation patterns can change the metabolism estimates dynamics in Lake Mangueira, changing the system trophic status (net autotrophy v.s. net heterotrophy) e also affecting the dynamics of individual biological processes composing the metabolism estimates. Chapters #4 and #5 show the development of a new numerical scheme capable of accelerate water quality simulations. The new numerical method is based on a Finite Volume framework and allows for numerical integration of scalar transport equations using a local time step, chosen based on the Courant-Friedrich-Lewy stability criteria (the CFL condition). This new solution is directly linked to a tridimensional hydrodynamic model on triangular unstructured mesh (e.g., UnTRIm model), using a semi-implicit solution based on finite differences and finite volume. Different classical and idealized test-cases were simulated and the results from using the new Local Time Stepping (LTS) numerical method is compared against the usage of a traditional Global Time Stepping method (GTS). Both implemented methods showed precise mass conservation in one, two, and three dimensions, moreover, a discrete max-min property was observed in all simulations (i.e., no new maximum nor minimum was created). The methods were also tested when the coupling with hydrodynamic models of free-surface flows is simulated, accounting both conservative (e.g., Salt) and non-conservative substances (e.g., water temperature). The idealized coupled test-cases accounted for situations where hydrodynamics is controled by the wind (strong vertical and horizontal mixing), and situations where hydrodynamics is driven by pressure gradients (e.g., tidal currents). Furthermore, situations where an intense wet- and dry-ing of computational cells is observed was tested and the methods showed stability and precise mass conservation. In a general manner, the new LTS scheme was faster from a computational point-of-view, requiring less simulation time in praticaly all tests. In addition, the new scheme presented concentration fields similar to the ones computed by a traditional GLS algorithm. Our findings suggested that the efficiency of the LTS algorithm is increased when a combination of high velocities and small polygons is observed (elevated CFL stability restriction), such as the simulation of the interface between rivers and lakes, fast water inflow (e.g., Dam-Break), and estuaries (Tidal effect).

A tese investigou o uso de uma ferramenta computacional para avaliar a dinâmica espaço-temporal do metabolismo em ecossistemas aquáticos onde a hidrodinâmica possui papel de destaque na estruturação das comunidades planctônicas. A modelagem matemática foi realizada utilizando o modelo IPH-ECO, uma ferramenta computacional complexa capaz de integrar processos físicos, químicos e biológicos em três dimensões. O trabalho foi dividido em quatro capítulos principais, tendo como base os processos físicos e biológicos que influenciam as estimativas de metabolismo (Capítulos #02 e #03) e melhorias nos métodos numéricos utilizados no modelo IPH-ECO (Capítulos #04 e #05). Os primeiros dois capítulos apresentam o desenvolvimento e aplicação de um algoritmo computacional capaz de quantificar as estimativas de metabolismo aquático baseado (em termos de Produção Primária Bruta - GPP, Respiração do ecossistema - R e Produção Líquida do Ecossistema - NEP = GPP - R) em processos biológicos individuais que influenciam o balanço de oxigênio dissolvido em ecossistemas aquáticos (e.g., respiração de zooplâncton, produção primária de macrófitas aquáticas). A implementação deste algoritmo no modelo IPH-ECO permitiu quantificar as estimativas de metabolismo aquático na Lagoa Mangueira, sul do Brasil, avaliando a importância relativa de diferentes processos individuais e o efeito da hidrodinâmica sobre os processos que compõem o metabolismo da lagoa. O metabolismo aquático da Lagoa Mangueira apresentou um gradiente espacial com maiores valores na região Litorânea e menores na região Pelágica. Além da heterogeneidade espacial, foi possível observar uma heterogeneidade temporal, com valores de produção primária mais elevados durante o verão e primavera e menores durante o inverno e outono. Esta heterogeneidade espacial e temporal acarreta em alterações no estado trófico (autotrófico - NEP positivo ou heterotrófico - NEP negativo) da lagoa, dependendo do local sendo avaliado (zona litorânea ou zona pelágica) e da época do ano. A simulação de diferentes cenários de vento (cinco no total) demonstraram que os padrões de circulação da água podem alterar a dinâmica das estimativas de metabolismo na Lagoa Mangueira, alterando a forma como o sistema é classificado (autotrofia vs. heterotrofia) e influenciando os diferentes processos biológicos que compõem estas estimativas. Os Capítulos #04 e #05 apresentam o desenvolvimento de um novo esquema numérico visando auxiliar na simulação de problemas de qualidade de água. O novo esquema é baseado no método dos Volumes Finitos e permite a integração numérica de equações de transporte utilizando um passo de tempo localizado, calculado a partir da condição de estabilidade de Courant-Friedrich-Lewy (condição CFL). A nova solução numérica é diretamente acoplada a um modelo hidrodinâmico tridimensional em grades triangulares não-estruturadas (e.g, modelo UnTRIM), que utiliza uma solução numérica semi-implícita (Crank-Nicholson) baseada em diferenças finitas e volumes finitos. Diferentes testes clássicos e idealizados são simulados e é realizada uma comparação entre o método com esquema numérico localizado (LTS - Local Time Stepping) e o método tradicional (GTS - Global Time Stepping). Ambos os métodos se mostraram conservativos considerando uma, duas e três dimensões, e ainda foi respeitada uma condição de estabilidade baseada nos valores máximos e mínimos sendo transportados (i.e., não são criados novos valores máximos nem mínimos). Os métodos também foram avaliados de forma acoplada com escoamentos a superfície livre, levando em conta substâncias conservativas e não-conservativas (e.g., balanço de temperatura na água), assim como situações onde a hidrodinâmica é controlada por vento (forte mistura vertical e horizontal) e onde a hidrodinâmica é controlada por um gradiente de pressão (e.g., maré). Além disso, situações onde a secagem e inundação de células computacionais ocorrem foram testadas e os métodos se mostraram estáveis e conservativos. O esquema numérico LTS se mostrou mais rápido do ponto de vista computacional, exigindo menos tempo de simulação em praticamente todos os testes realizados. Além disso, o esquema mostrou resultados similares ao obtidos utilizando o esquema GTS tradicional. Os testes mostraram que a eficiência do esquema LTS é maior quando ocorre a combinação de altas velocidades e pequenos elementos (alta restrição dada pela condição CFL), como a simulação da interface entre rios e lagos, entradas de água rápida (e.g., tromba d’água, Dam-Break) e estuários (efeito de maré). / This thesis investigated the use of a mathematical model to evaluate the space-time dynamics of aquatic metabolism in ecossystems where hydrodynamics plays a key role in structuring the planktonic community. The mathematical model used was the IPH-ECO model, a complex tridimensional model capable of integrating physical, chemical, and biological processes in aquatic environments. The thesis was divided into four main chapters with focus in studying the biological processes and aquatic metabolism estimates (Chapters #2 and #3), and also the improvement of numerical methods used in the IPH-ECO model (Chapters #4 and #5). The first two chapters show the development and application of a computational algorithm capable of quantifying the aquatic metabolism estimates (in terms of Gross Primary Production - GPP, Ecosystem Respiration - R, and Net Ecosystem Production - NEP = GPP-R) based on individual biological processes affecting the dissolved oxygen budget in aquatic ecosystems (e.g., zooplankton respiration, aquatic macrophyte primary production). The numerical algorithm implemented on the IPH-ECO model allowed the quantification of aquatic metabolism estimates (GPP, R, and NEP) at Lake Mangueira, South of Brazil, and the evaluation of the relative importance of different individual processes and how the lake hydrodynamic can change the complex dynamics of the biological processes comprising the lake metabolism estimates. Lake Mangueira’s metabolism estimations showed a well-marked spatial gradient with higher values observed in the littoral zone and lower values observed in the pelagic zone. Besides the spatial heterogeneity, it was also possible to notice a strong seasonal heterogeneity, with increased values of GPP and R during summer and spring and lower values during winter and autumn. This space-time heterogeneity leads to a switching in the trophic state of the lake (autotrophic - Positive NEP or heteotrophic - Negative NEP), depending on the site being evaluated (littoral or pelagic) and also the time of the year being assessed. The simulation of different wind scenarios (a total of five) showed that the water circulation patterns can change the metabolism estimates dynamics in Lake Mangueira, changing the system trophic status (net autotrophy v.s. net heterotrophy) e also affecting the dynamics of individual biological processes composing the metabolism estimates. Chapters #4 and #5 show the development of a new numerical scheme capable of accelerate water quality simulations. The new numerical method is based on a Finite Volume framework and allows for numerical integration of scalar transport equations using a local time step, chosen based on the Courant-Friedrich-Lewy stability criteria (the CFL condition). This new solution is directly linked to a tridimensional hydrodynamic model on triangular unstructured mesh (e.g., UnTRIm model), using a semi-implicit solution based on finite differences and finite volume. Different classical and idealized test-cases were simulated and the results from using the new Local Time Stepping (LTS) numerical method is compared against the usage of a traditional Global Time Stepping method (GTS). Both implemented methods showed precise mass conservation in one, two, and three dimensions, moreover, a discrete max-min property was observed in all simulations (i.e., no new maximum nor minimum was created). The methods were also tested when the coupling with hydrodynamic models of free-surface flows is simulated, accounting both conservative (e.g., Salt) and non-conservative substances (e.g., water temperature). The idealized coupled test-cases accounted for situations where hydrodynamics is controled by the wind (strong vertical and horizontal mixing), and situations where hydrodynamics is driven by pressure gradients (e.g., tidal currents). Furthermore, situations where an intense wet- and dry-ing of computational cells is observed was tested and the methods showed stability and precise mass conservation. In a general manner, the new LTS scheme was faster from a computational point-of-view, requiring less simulation time in praticaly all tests. In addition, the new scheme presented concentration fields similar to the ones computed by a traditional GLS algorithm. Our findings suggested that the efficiency of the LTS algorithm is increased when a combination of high velocities and small polygons is observed (elevated CFL stability restriction), such as the simulation of the interface between rivers and lakes, fast water inflow (e.g., Dam-Break), and estuaries (Tidal effect).

A tese investigou o uso de uma ferramenta computacional para avaliar a dinâmica espaço-temporal do metabolismo em ecossistemas aquáticos onde a hidrodinâmica possui papel de destaque na estruturação das comunidades planctônicas. A modelagem matemática foi realizada utilizando o modelo IPH-ECO, uma ferramenta computacional complexa capaz de integrar processos físicos, químicos e biológicos em três dimensões. O trabalho foi dividido em quatro capítulos principais, tendo como base os processos físicos e biológicos que influenciam as estimativas de metabolismo (Capítulos #02 e #03) e melhorias nos métodos numéricos utilizados no modelo IPH-ECO (Capítulos #04 e #05). Os primeiros dois capítulos apresentam o desenvolvimento e aplicação de um algoritmo computacional capaz de quantificar as estimativas de metabolismo aquático baseado (em termos de Produção Primária Bruta - GPP, Respiração do ecossistema - R e Produção Líquida do Ecossistema - NEP = GPP - R) em processos biológicos individuais que influenciam o balanço de oxigênio dissolvido em ecossistemas aquáticos (e.g., respiração de zooplâncton, produção primária de macrófitas aquáticas). A implementação deste algoritmo no modelo IPH-ECO permitiu quantificar as estimativas de metabolismo aquático na Lagoa Mangueira, sul do Brasil, avaliando a importância relativa de diferentes processos individuais e o efeito da hidrodinâmica sobre os processos que compõem o metabolismo da lagoa. O metabolismo aquático da Lagoa Mangueira apresentou um gradiente espacial com maiores valores na região Litorânea e menores na região Pelágica. Além da heterogeneidade espacial, foi possível observar uma heterogeneidade temporal, com valores de produção primária mais elevados durante o verão e primavera e menores durante o inverno e outono. Esta heterogeneidade espacial e temporal acarreta em alterações no estado trófico (autotrófico - NEP positivo ou heterotrófico - NEP negativo) da lagoa, dependendo do local sendo avaliado (zona litorânea ou zona pelágica) e da época do ano. A simulação de diferentes cenários de vento (cinco no total) demonstraram que os padrões de circulação da água podem alterar a dinâmica das estimativas de metabolismo na Lagoa Mangueira, alterando a forma como o sistema é classificado (autotrofia vs. heterotrofia) e influenciando os diferentes processos biológicos que compõem estas estimativas. Os Capítulos #04 e #05 apresentam o desenvolvimento de um novo esquema numérico visando auxiliar na simulação de problemas de qualidade de água. O novo esquema é baseado no método dos Volumes Finitos e permite a integração numérica de equações de transporte utilizando um passo de tempo localizado, calculado a partir da condição de estabilidade de Courant-Friedrich-Lewy (condição CFL). A nova solução numérica é diretamente acoplada a um modelo hidrodinâmico tridimensional em grades triangulares não-estruturadas (e.g, modelo UnTRIM), que utiliza uma solução numérica semi-implícita (Crank-Nicholson) baseada em diferenças finitas e volumes finitos. Diferentes testes clássicos e idealizados são simulados e é realizada uma comparação entre o método com esquema numérico localizado (LTS - Local Time Stepping) e o método tradicional (GTS - Global Time Stepping). Ambos os métodos se mostraram conservativos considerando uma, duas e três dimensões, e ainda foi respeitada uma condição de estabilidade baseada nos valores máximos e mínimos sendo transportados (i.e., não são criados novos valores máximos nem mínimos). Os métodos também foram avaliados de forma acoplada com escoamentos a superfície livre, levando em conta substâncias conservativas e não-conservativas (e.g., balanço de temperatura na água), assim como situações onde a hidrodinâmica é controlada por vento (forte mistura vertical e horizontal) e onde a hidrodinâmica é controlada por um gradiente de pressão (e.g., maré). Além disso, situações onde a secagem e inundação de células computacionais ocorrem foram testadas e os métodos se mostraram estáveis e conservativos. O esquema numérico LTS se mostrou mais rápido do ponto de vista computacional, exigindo menos tempo de simulação em praticamente todos os testes realizados. Além disso, o esquema mostrou resultados similares ao obtidos utilizando o esquema GTS tradicional. Os testes mostraram que a eficiência do esquema LTS é maior quando ocorre a combinação de altas velocidades e pequenos elementos (alta restrição dada pela condição CFL), como a simulação da interface entre rios e lagos, entradas de água rápida (e.g., tromba d’água, Dam-Break) e estuários (efeito de maré). / This thesis investigated the use of a mathematical model to evaluate the space-time dynamics of aquatic metabolism in ecossystems where hydrodynamics plays a key role in structuring the planktonic community. The mathematical model used was the IPH-ECO model, a complex tridimensional model capable of integrating physical, chemical, and biological processes in aquatic environments. The thesis was divided into four main chapters with focus in studying the biological processes and aquatic metabolism estimates (Chapters #2 and #3), and also the improvement of numerical methods used in the IPH-ECO model (Chapters #4 and #5). The first two chapters show the development and application of a computational algorithm capable of quantifying the aquatic metabolism estimates (in terms of Gross Primary Production - GPP, Ecosystem Respiration - R, and Net Ecosystem Production - NEP = GPP-R) based on individual biological processes affecting the dissolved oxygen budget in aquatic ecosystems (e.g., zooplankton respiration, aquatic macrophyte primary production). The numerical algorithm implemented on the IPH-ECO model allowed the quantification of aquatic metabolism estimates (GPP, R, and NEP) at Lake Mangueira, South of Brazil, and the evaluation of the relative importance of different individual processes and how the lake hydrodynamic can change the complex dynamics of the biological processes comprising the lake metabolism estimates. Lake Mangueira’s metabolism estimations showed a well-marked spatial gradient with higher values observed in the littoral zone and lower values observed in the pelagic zone. Besides the spatial heterogeneity, it was also possible to notice a strong seasonal heterogeneity, with increased values of GPP and R during summer and spring and lower values during winter and autumn. This space-time heterogeneity leads to a switching in the trophic state of the lake (autotrophic - Positive NEP or heteotrophic - Negative NEP), depending on the site being evaluated (littoral or pelagic) and also the time of the year being assessed. The simulation of different wind scenarios (a total of five) showed that the water circulation patterns can change the metabolism estimates dynamics in Lake Mangueira, changing the system trophic status (net autotrophy v.s. net heterotrophy) e also affecting the dynamics of individual biological processes composing the metabolism estimates. Chapters #4 and #5 show the development of a new numerical scheme capable of accelerate water quality simulations. The new numerical method is based on a Finite Volume framework and allows for numerical integration of scalar transport equations using a local time step, chosen based on the Courant-Friedrich-Lewy stability criteria (the CFL condition). This new solution is directly linked to a tridimensional hydrodynamic model on triangular unstructured mesh (e.g., UnTRIm model), using a semi-implicit solution based on finite differences and finite volume. Different classical and idealized test-cases were simulated and the results from using the new Local Time Stepping (LTS) numerical method is compared against the usage of a traditional Global Time Stepping method (GTS). Both implemented methods showed precise mass conservation in one, two, and three dimensions, moreover, a discrete max-min property was observed in all simulations (i.e., no new maximum nor minimum was created). The methods were also tested when the coupling with hydrodynamic models of free-surface flows is simulated, accounting both conservative (e.g., Salt) and non-conservative substances (e.g., water temperature). The idealized coupled test-cases accounted for situations where hydrodynamics is controled by the wind (strong vertical and horizontal mixing), and situations where hydrodynamics is driven by pressure gradients (e.g., tidal currents). Furthermore, situations where an intense wet- and dry-ing of computational cells is observed was tested and the methods showed stability and precise mass conservation. In a general manner, the new LTS scheme was faster from a computational point-of-view, requiring less simulation time in praticaly all tests. In addition, the new scheme presented concentration fields similar to the ones computed by a traditional GLS algorithm. Our findings suggested that the efficiency of the LTS algorithm is increased when a combination of high velocities and small polygons is observed (elevated CFL stability restriction), such as the simulation of the interface between rivers and lakes, fast water inflow (e.g., Dam-Break), and estuaries (Tidal effect).

[pt] Este estudo mediu a variância de variáveis sociais clássicas (gênero; raça/cor e idade) entre as turmas de uma mesma escola que apresentaram o maior e o menor desempenho em Língua Portuguesa (leitura) e Matemática. A variância é a medida de desigualdade adotada e a pesquisa faz uso de dados longitudinais coletados pelo GERES, nos anos letivos de 2005 e 2006, junto aos alunos dos anos iniciais do Ensino Fundamental, com o objetivo de investigar, em 27 escolas municipais da cidade do Rio de Janeiro, se a variância verificada nos resultados da proficiência entre turmas dentro de uma mesma escola é também encontrada em relação a outras características sociais dos alunos, em termos de gênero, raça/cor e idade. Além dos resultados de desempenho nos testes cognitivos, a pesquisa utiliza dados sobre as características demográficas e sociais dos alunos. Os achados gerais da pesquisa evidenciam que as diferenças de desempenho encontradas entre turmas de escolas da rede municipal de ensino do Rio de Janeiro não têm uma marca social clara, no sentido de que não há processos de enturmação relacionados com variáveis sociais clássicas, de gênero, raça e idade. No entanto, os resultados mostram que dentre os mecanismos de estratificação presentes nas escolas, são as diferenças de habilidades dos alunos em Leitura e Matemática as que orientam os processos de organização de turmas. / [en] This study measures the variance of classical social variables (gender, race/skin color, and age) among groups of the same school which have shown the highest and the lowest levels of proficiency in Reading and Math. Variance is the measurement we adopt here in order to show inequality levels. The research has used longitudinal data collected by GERES from 2005 to 2006, considering primary school students of 27 municipal schools in Rio de Janeiro. The object has been to investigate if the variance observed through proficiency results among groups of the same school can also be found when referring to students social characteristics such as gender, race/skin color, and age. The research considers not only students fulfillment in cognitive tests, but also their demographical and social characteristics. This study has brought up evidences which reveal that differences in fulfillment among groups of municipal schools in Rio de Janeiro are not clearly marked by social aspects, what means that the process of organizing students in groups is not determined by classical social variables of gender, race/skin color, and age. On the other hand, our results show that students different abilities in Reading and Math lead to their allocation in groups.

Sabe-se que a formação de reservatórios altera a qualidade e a quantidade da água de montante e jusante e que a direção e a magnitude das alterações dependem de suas características construtivas, operacionais, morfométricas, bem como do regime hidrológico e climático da região. Porém, a maior parte deste conhecimento foi fundamentada em pesquisas de reservatórios com grande capacidade de regularização, que fazem parte da realidade do Pantanal, uma região que vem sendo impactada por um número cada vez maior de reservatórios com pequena capacidade de regularização, levantando questionamentos sobre seus possíveis efeitos no funcionamento da planície de inundação. Sendo assim, este trabalho procurou (i) identificar qual o fator chave determinante no processo de estratificação e mistura vertical do reservatório e se este pode influenciar na qualidade da água; (ii) avaliar os efeitos da formação e operação do reservatório na alteração da qualidade da água de montante e jusante e (iii) avaliar os efeitos da operação do reservatório na alteração do regime hidrológico de jusante, além de propor os limites preventivos para a sustentabilidade. O estudo foi desenvolvido no reservatório de Ponte de Pedra, localizado no rio Correntes, divisa dos estados de Mato Grasso e Mato Grosso do Sul (Centro Oeste do Brail), na fronteira entre o Pantanal e o Planalto. O reservatório apresentou prolongado período de estratificação vertical (mistura no inverno) dos parâmetros físicos e químicos da água nas partes médias e profundas, mantendo-se homogêneo na parte superior, onde se encontra a captação, não alterando as características da água de jusante. Entre os fatores analisados, o vento foi o único fator que influenciou significativamente a estrutura vertical da qualidade da água sendo beneficiada pelas características morfométricas e construtivas do reservatório. Longitudinalmente, a formação do reservatório alterou significativamente quatro dos dez parâmetros analisados, com redução média de 38% da turbidez, 28% do fósforo total, 23% dos sólidos totais e 14% do nitrato. Destes, apenas a turbidez e o nitrato foram afetados pelo controle operacional do tempo de retenção hidráulica. Em relação à alteração dos parâmetros do regime hidrológico anual, dos 31 analisados, os parâmetros de vazões mínimas de curta duração (1, 3 e 7 dias), vazões máximas de 90 dias e o número de pulsos baixos e altos foram significativamente alterados pela operação do reservatório. Destes, a vazão máxima de 90 dias e o número de pulsos altos resumem os impactos, e podem ser utilizados como parâmetros alvos para restauração e conservação do regime hidrológico. As vazões sazonais também foram significativamente alteradas, com maior impacto na estação seca (inverno). Com base na variabilidade natural do rio, foram propostos os limites preventivos para a sustentabilidade, com alterações diárias permitidas de ±18% no inverno, ±24% na primavera e ±22% no verão e outono, aplicados sobre a vazão natural. De maneira geral, as alterações na qualidade da água e no regime hidrológico provocado pela formação e operação do reservatório foram consideradas baixas, tanto em número de parâmetros alterados quanto nas magnitudes das alterações, e estas foram atribuídas às baixas concentrações de partículas e nutrientes na bacia, ao sistema de captação superficial, o curto tempo de retenção hidráulica, pequena capacidade de regularização associadas à sazonalidade no regime de chuvas e ventos na região, que limitam manobras operacionais para a maximização da eficiência energética. / The formation of reservoirs changes the quality and quantity of water, both upstream and downstream, and the direction and magnitude of such changes depend on their characteristics of construction, operation, morphometry, as well as hydrological regime and climate of the region. However, much of this knowledge was based on large reservoirs, which is not the reality of the Pantanal, an area that is being impacted by a growing number of reservoirs with low capacity for regularization, raising questions about possible effects on the floodplain functioning. In this way, this study aimed (i) to identify the key factor in the process of stratification and vertical mixing of the reservoir, and whether this can influence the water quality, (ii) to evaluate the effects of the reservoir formation and operation on the quality of water upstream and downstream of the reservoir, and (iii) to examine the effects of the reservoir operation on the downstream hydrological regime, in addition to propose preventive limits for sustainability. The study was conducted at Ponte de Pedra Reservoir, located on the Correntes river, the motto between the states of Mato Grasso and Mato Grosso do Sul (Central West Brazil), on the border between the Plateau and the Pantanal. The reservoir had an extended period of vertical stratification (mixture in the winter) of physical and chemical water parameters in the medium and deep parts of the water column, being homogeneous in the upper part where the water is capitation, without changing the characteristics of the downstream water. Among the factors analyzed, the wind was the only factor that significantly influenced the vertical structure of the water quality, favored by morphometric and constructive characteristics of the reservoir. Along the longitudinal axis, the reservoir formation significantly altered the turbidity and concentrations of total phosphorus, total solids, and nitrate, with mean reduction of 38, 28, 23 and 14% of their values. Among these, only turbidity and nitrate were affected by the operational control of the hydraulic retention time. In relation to the change in parameters of the annual hydrological regime, parameters of short-term minimum flows (1, 3 and 7 days), maximum flows of 90 days and the number of low and high pulses were significantly modified by the reservoir operation. Of these, the maximum flow of 90 days and the number of high pulses have summarized the impacts, and can be used as target parameters for restoration and conservation of the hydrological regime. Seasonal flows were also significantly altered, with the greatest impact in the dry season (winter). Based on the natural variability of the river, it was proposed preventive limits for sustainability, with permitted daily changes of ±18% in winter, ±24% in spring and ±22% in summer and autumn applied on the natural flow. In general, changes in water quality and hydrological regime caused by the reservoir formation and operation were considered low, both in number of altered parameters as magnitudes of such changes, and these characteristics were ascribed to low concentrations of particles and nutrients in the basin, to the surface capitation system, short hydraulic retention time, low capacity of regularization associated with the seasonality of the regime of rainfall and wind in the region, limiting operational maneuvers for maximizing the energy efficiency.

[pt] A história política brasileira é marcada pela reiteração da figura da conciliação como ferramenta da ação e do pensamento políticos, apontando para a existência de importantes linhas de continuidade, subjacentes a tal conceito, as quais somente podem ser corretamente desveladas a partir de uma perspectiva de longa duração. Entretanto, a definição exata do que seja conciliação no Brasil ainda parece envolta em dúvidas e mistificações, transitando entre significados de natureza cultural, relacionados à composição social brasileira; de natureza psicológica, ligados a um suposto caráter nacional do brasileiro; de natureza ideológica, seja com relação à luta de classes ou à identidade nacional; até significados efetivamente políticoeconômicos, ligados à necessidade de integração da ordem política, à estratificação da sociedade e à divisão de poder entre suas diferentes classes. A presente pesquisa se propõe a, primeiramente, buscar uma conceptualização eminentemente política da conciliação, a partir do debate com as diversas aproximações teóricas existentes. A partir daí, através da análise bibliográfica de autores que efetivamente interpretaram a conciliação como um operador político, busca-se identificar quais os macroprocessos políticos revelados por tal ferramenta analítica, e quais os potenciais e limitações que revelam para a democratização social e política brasileira. / [en] Brazilian political history is marked by the reiteration of the figure of conciliation as a tool of political action and thought, pointing to the existence of important lines of continuity, underlying that concept, which can only be correctly unveiled from a long perspective duration. However, the exact definition of what is conciliation in Brazil still seems surrounded by doubts and mystifications, transposing between meanings of a cultural nature, related to the Brazilian social composition; of a psychological nature, linked to a supposed Brazilian national character; of an ideological nature, whether in relation to the class struggle or to national identity; to effectively political-economic meanings, linked to the need to integrate the political order, to the stratification of society, and to the division of power among its different classes. The present research proposes to firstly seek an eminently political conceptualization of conciliation, starting from the debate with different theoretical approaches. From there, through the bibliographical analysis of authors who have effectively interpreted conciliation as a political operator, we seek to identify the political macroprocesses revealed by such analytical tool, and the potentials and limitations they reveal for Brazilian social and political democratization.

Sabe-se que a formação de reservatórios altera a qualidade e a quantidade da água de montante e jusante e que a direção e a magnitude das alterações dependem de suas características construtivas, operacionais, morfométricas, bem como do regime hidrológico e climático da região. Porém, a maior parte deste conhecimento foi fundamentada em pesquisas de reservatórios com grande capacidade de regularização, que fazem parte da realidade do Pantanal, uma região que vem sendo impactada por um número cada vez maior de reservatórios com pequena capacidade de regularização, levantando questionamentos sobre seus possíveis efeitos no funcionamento da planície de inundação. Sendo assim, este trabalho procurou (i) identificar qual o fator chave determinante no processo de estratificação e mistura vertical do reservatório e se este pode influenciar na qualidade da água; (ii) avaliar os efeitos da formação e operação do reservatório na alteração da qualidade da água de montante e jusante e (iii) avaliar os efeitos da operação do reservatório na alteração do regime hidrológico de jusante, além de propor os limites preventivos para a sustentabilidade. O estudo foi desenvolvido no reservatório de Ponte de Pedra, localizado no rio Correntes, divisa dos estados de Mato Grasso e Mato Grosso do Sul (Centro Oeste do Brail), na fronteira entre o Pantanal e o Planalto. O reservatório apresentou prolongado período de estratificação vertical (mistura no inverno) dos parâmetros físicos e químicos da água nas partes médias e profundas, mantendo-se homogêneo na parte superior, onde se encontra a captação, não alterando as características da água de jusante. Entre os fatores analisados, o vento foi o único fator que influenciou significativamente a estrutura vertical da qualidade da água sendo beneficiada pelas características morfométricas e construtivas do reservatório. Longitudinalmente, a formação do reservatório alterou significativamente quatro dos dez parâmetros analisados, com redução média de 38% da turbidez, 28% do fósforo total, 23% dos sólidos totais e 14% do nitrato. Destes, apenas a turbidez e o nitrato foram afetados pelo controle operacional do tempo de retenção hidráulica. Em relação à alteração dos parâmetros do regime hidrológico anual, dos 31 analisados, os parâmetros de vazões mínimas de curta duração (1, 3 e 7 dias), vazões máximas de 90 dias e o número de pulsos baixos e altos foram significativamente alterados pela operação do reservatório. Destes, a vazão máxima de 90 dias e o número de pulsos altos resumem os impactos, e podem ser utilizados como parâmetros alvos para restauração e conservação do regime hidrológico. As vazões sazonais também foram significativamente alteradas, com maior impacto na estação seca (inverno). Com base na variabilidade natural do rio, foram propostos os limites preventivos para a sustentabilidade, com alterações diárias permitidas de ±18% no inverno, ±24% na primavera e ±22% no verão e outono, aplicados sobre a vazão natural. De maneira geral, as alterações na qualidade da água e no regime hidrológico provocado pela formação e operação do reservatório foram consideradas baixas, tanto em número de parâmetros alterados quanto nas magnitudes das alterações, e estas foram atribuídas às baixas concentrações de partículas e nutrientes na bacia, ao sistema de captação superficial, o curto tempo de retenção hidráulica, pequena capacidade de regularização associadas à sazonalidade no regime de chuvas e ventos na região, que limitam manobras operacionais para a maximização da eficiência energética. / The formation of reservoirs changes the quality and quantity of water, both upstream and downstream, and the direction and magnitude of such changes depend on their characteristics of construction, operation, morphometry, as well as hydrological regime and climate of the region. However, much of this knowledge was based on large reservoirs, which is not the reality of the Pantanal, an area that is being impacted by a growing number of reservoirs with low capacity for regularization, raising questions about possible effects on the floodplain functioning. In this way, this study aimed (i) to identify the key factor in the process of stratification and vertical mixing of the reservoir, and whether this can influence the water quality, (ii) to evaluate the effects of the reservoir formation and operation on the quality of water upstream and downstream of the reservoir, and (iii) to examine the effects of the reservoir operation on the downstream hydrological regime, in addition to propose preventive limits for sustainability. The study was conducted at Ponte de Pedra Reservoir, located on the Correntes river, the motto between the states of Mato Grasso and Mato Grosso do Sul (Central West Brazil), on the border between the Plateau and the Pantanal. The reservoir had an extended period of vertical stratification (mixture in the winter) of physical and chemical water parameters in the medium and deep parts of the water column, being homogeneous in the upper part where the water is capitation, without changing the characteristics of the downstream water. Among the factors analyzed, the wind was the only factor that significantly influenced the vertical structure of the water quality, favored by morphometric and constructive characteristics of the reservoir. Along the longitudinal axis, the reservoir formation significantly altered the turbidity and concentrations of total phosphorus, total solids, and nitrate, with mean reduction of 38, 28, 23 and 14% of their values. Among these, only turbidity and nitrate were affected by the operational control of the hydraulic retention time. In relation to the change in parameters of the annual hydrological regime, parameters of short-term minimum flows (1, 3 and 7 days), maximum flows of 90 days and the number of low and high pulses were significantly modified by the reservoir operation. Of these, the maximum flow of 90 days and the number of high pulses have summarized the impacts, and can be used as target parameters for restoration and conservation of the hydrological regime. Seasonal flows were also significantly altered, with the greatest impact in the dry season (winter). Based on the natural variability of the river, it was proposed preventive limits for sustainability, with permitted daily changes of ±18% in winter, ±24% in spring and ±22% in summer and autumn applied on the natural flow. In general, changes in water quality and hydrological regime caused by the reservoir formation and operation were considered low, both in number of altered parameters as magnitudes of such changes, and these characteristics were ascribed to low concentrations of particles and nutrients in the basin, to the surface capitation system, short hydraulic retention time, low capacity of regularization associated with the seasonality of the regime of rainfall and wind in the region, limiting operational maneuvers for maximizing the energy efficiency.