A compreensão, monitoramento e simulação da dinâmica da rede de drenagem de um centro urbano, inclusive os rios, podem auxiliar a análise de risco e o desenvolvimento e correção de projetos de rede de drenagem urbana. Entretanto, a simulação de rios urbanos é um grande desafio, devido a rápida variação das condições de escoamento (nível d\'água e velocidade) durante a passagem de onda de cheia, trazendo dificuldades tanto no monitoramento como na modelagem. Por se tratar de escoamentos não permanentes com significativo efeito de histerese da relação nível-vazão, torna-se necessária a utilização de modelos hidrodinâmicos. Além disso, a possível ocorrência de escoamento transcrítico aumenta a complexidade de representação do problema. Neste trabalho, um modelo hidrodinâmico capaz de resolver escoamentos transcríticos foi desenvolvido com o objetivo de simular eventos de passagem de onda de cheia em rios urbanos. O modelo, implementado na linguagem Fortran, foi baseado nas equações unidimensionais completas de Saint-Venant e utiliza o esquema de resolução de Preissmann adaptado por um redutor dos termos de inércia. Isso permitiu a resolução de escoamentos transcríticos, conforme comprovado em problemas teóricos padrões. Na aplicação prática do modelo, eventos de onda de cheia foram monitorados em um trecho do canal do córrego do Gregório na cidade de São Carlos, São Paulo, e simulações foram realizadas considerando apenas dados de níveis. Os resultados obtidos foram satisfatórios (Eficiência de Nash-Sutcliffe acima de 0,7) e permitiram a utilização das vazões estimadas para a proposição de uma curva-chave para o córrego. A metodologia aplicada neste trabalho se mostrou promissora para a definição de curva-chave de rios urbanos que apresentam dificuldades de medição de vazão. / The recognition, monitoring and simulation of the drainage system\'s dynamics of an urban center, including rivers, can assist in the risk assessment and the development and correction of urban drainage network projects. However, the simulation of urban rivers is a great challenge, due to the rapid variation of the flow conditions (water level and velocity) during the passing of flood waves, and poses difficulties for their monitoring and modeling. The use of a hydrodynamic model becomes necessary, as the flow is unsteady and produces a hysteresis effect of stage-discharge relation. Furthermore, the possible occurrence of transcritical flow increases the complexity of the problem representation even more. This manuscript addresses the development of a hydrodynamic model that solves transcritical flows and simulates flood wave events in urban rivers. The model, implemented in the Fortran programming language, was based on the one-dimensional complete equations of Saint Venant and uses the Preissmann scheme of resolution adapted by a reduction factor of the inertial terms. Such features enabled the resolution of transcritical flows, as evidenced in standard theoretical problems. In a practical application of the model, flood wave events were monitored in the Gregório creek in São Carlos, São Paulo, and simulations were performed only with level data. The results were satisfactory (Nash-Sutcliffe efficiency above 0.7) and enabled the use of the flows estimated for the proposal of a rating curve for the creek. The methodology applied has shown promising for the definition of a rating curve for urban rivers of difficult flow measurements.

For this dissertation I studied flow and transport in low gradient Florida streams. Chapter 2 is a statewide analysis of long-term variations in stream discharge. The results from Chapter 2 suggest that changes in mean annual stream discharge are controlled by the Atlantic Multi-Decadal Oscillation (AMO). During the warm phase, mean annual discharge decreases in central Florida and increases in north Florida. The opposite is true during the cool phase, with mean annual discharge increasing in central Florida and decreasing in north Florida. This pattern is observed for both components of stream discharge, base flow and runoff. The following two chapters are part of an analysis of particle transport in low gradient mangrove estuaries. Chapter 3 describes the use of a numerical model to simulate the hydrodynamics of a coastal reach of the Shark River, Florida Everglades and the development of a Lagrangian particle tracking model. The particle tracking model uses the output from the hydrodynamic model to simulate the movement of particles released within the model domain. In Chapter 4, the hydrodynamic and particle tracking models are used to estimate the historical particle residence time in the Shark River Slough Estuary (SRSE) and determine the key factors controlling particle residence time and fate in mangrove estuaries. The mean and median residence times in the model domain are 16 and 8 hours, respectively, and 60% of all particles exit the model domain downstream, towards the Gulf of Mexico. Particle residence time varies greatly depending on the particle release location and timing. The residence time is significantly lower for particles released in the middle of the channel and for particles released during the wet season, spring tides or during upstream flows. Additionally, there is a decreasing trend in mean particle residence time from 1997 through 2017, mirroring an increasing trend in mean annual water levels in the SRSE. The combined results of this dissertation show the impact that a variable climate can have on stream flow and particle transport.

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Using the hydrodynamic model HECRAS were created various flood scenarios with return periods of 15, 25, 50 and 100 years for the project rainfall; there was aid of a geographic information system, using ArcMap 10.0 to the high-resolution orthophoto city and DEM made from airborne laser scanner, with this material extracted the geometry of the basin. In hydrodynamic modeling crafted the model was run in unsteady flow considering the full Saint Venant equation. In addition to the hydrodynamic modeling was carried out a simulation on the INPE simplified model called HAND, which turned out to be an inexpensive tool, easily accessible and with quality results. With the results obtained (flood hydrograph and flood patches concerning the different return times) flood areas were shown in different scenarios created, and you can compare them. The results showed that the flood spot along the basin have become significantly larger as the return periods grow. In urbanized streams were no major changes than the changes that occurred in streams away from the urban area. Streams that are outside the urbanized area focuses on the alert, they are natural streams and showed that will not support the volume of water resulting from this work. / O processo de urbanização que está ocorrendo nas cidades brasileiras tem se mostrado desorganizado e com isso as inundações estão se tornando um fenômeno recorrente. O crescimento da impermeabilização no solo urbano diminui a quantidade de água infiltrada no solo durante o período de chuva, os córregos não conseguem suprir a demanda da água nos canais, além de receber do escoamento superficial uma grande quantidade. Nesse contexto a modelagem hidrodinâmica é uma ferramenta importante para avaliar os sistemas de drenagens e prever os efeitos da inundação. Dessa forma o presente trabalho foi aplicado na bacia hidrográfica do Ribeirão Anicuns, no município de Goiânia, onde uma parte considerável da bacia se encontra em área urbanizada. Utilizando o modelo hidrodinâmico HEC-RAS foram criados vários cenários de inundação com os tempos de retorno de 15, 25, 50 e 100 anos para a chuva de projeto; houve auxílio de um Sistema de Informações Geográficas, utilizando o programa ArcMap 10.0 a ortofoto do município de alta resolução e o MDT feito a partir de laser scanner aerotransportado, com esse material se extraiu a geometria da bacia hidrográfica. Na modelagem hidrodinâmica trabalhada o modelo foi executardo no regime não permanente, considerando a equação de Saint Venant completa. Além da modelagem hidrodinâmica foi realizada uma simulação no modelo simplificado HAND do INPE, onde se mostrou ser uma ferramenta barata, de fácil acesso e com resultados de qualidade. Com os resultados obtidos (hidrogramas de cheia e manchas de inundação referente aos diferentes tempos de retorno) foram mostradas áreas de inundação nos diferentes cenários criados, sendo possível compara-los. Os resultados mostraram que a mancha de inundação ao longo da bacia se tornaram significativamente maiores a medida que os tempos de retorno cresciam. Nos córregos urbanizados houve mudanças maiores do que as mudanças que ocorreram nos córregos afastados do perímetro urbano. Nos córregos que estão fora da área urbanizada foca o alerta, são córregos naturais e mostraram que não suportarão o volume de água resultante deste trabalho.

A compreensão, monitoramento e simulação da dinâmica da rede de drenagem de um centro urbano, inclusive os rios, podem auxiliar a análise de risco e o desenvolvimento e correção de projetos de rede de drenagem urbana. Entretanto, a simulação de rios urbanos é um grande desafio, devido a rápida variação das condições de escoamento (nível d\'água e velocidade) durante a passagem de onda de cheia, trazendo dificuldades tanto no monitoramento como na modelagem. Por se tratar de escoamentos não permanentes com significativo efeito de histerese da relação nível-vazão, torna-se necessária a utilização de modelos hidrodinâmicos. Além disso, a possível ocorrência de escoamento transcrítico aumenta a complexidade de representação do problema. Neste trabalho, um modelo hidrodinâmico capaz de resolver escoamentos transcríticos foi desenvolvido com o objetivo de simular eventos de passagem de onda de cheia em rios urbanos. O modelo, implementado na linguagem Fortran, foi baseado nas equações unidimensionais completas de Saint-Venant e utiliza o esquema de resolução de Preissmann adaptado por um redutor dos termos de inércia. Isso permitiu a resolução de escoamentos transcríticos, conforme comprovado em problemas teóricos padrões. Na aplicação prática do modelo, eventos de onda de cheia foram monitorados em um trecho do canal do córrego do Gregório na cidade de São Carlos, São Paulo, e simulações foram realizadas considerando apenas dados de níveis. Os resultados obtidos foram satisfatórios (Eficiência de Nash-Sutcliffe acima de 0,7) e permitiram a utilização das vazões estimadas para a proposição de uma curva-chave para o córrego. A metodologia aplicada neste trabalho se mostrou promissora para a definição de curva-chave de rios urbanos que apresentam dificuldades de medição de vazão. / The recognition, monitoring and simulation of the drainage system\'s dynamics of an urban center, including rivers, can assist in the risk assessment and the development and correction of urban drainage network projects. However, the simulation of urban rivers is a great challenge, due to the rapid variation of the flow conditions (water level and velocity) during the passing of flood waves, and poses difficulties for their monitoring and modeling. The use of a hydrodynamic model becomes necessary, as the flow is unsteady and produces a hysteresis effect of stage-discharge relation. Furthermore, the possible occurrence of transcritical flow increases the complexity of the problem representation even more. This manuscript addresses the development of a hydrodynamic model that solves transcritical flows and simulates flood wave events in urban rivers. The model, implemented in the Fortran programming language, was based on the one-dimensional complete equations of Saint Venant and uses the Preissmann scheme of resolution adapted by a reduction factor of the inertial terms. Such features enabled the resolution of transcritical flows, as evidenced in standard theoretical problems. In a practical application of the model, flood wave events were monitored in the Gregório creek in São Carlos, São Paulo, and simulations were performed only with level data. The results were satisfactory (Nash-Sutcliffe efficiency above 0.7) and enabled the use of the flows estimated for the proposal of a rating curve for the creek. The methodology applied has shown promising for the definition of a rating curve for urban rivers of difficult flow measurements.

L'objectif de ce travail de thèse est l'exploitation des oscillations de plasma tridimensionnelles dans des diodes à base d'InGaAs et de GaN, matériaux de grand intérêt pour les applications térahertz à cause de la haute mobilité électronique du premier et des fortes interactions électrons-phonons optiques dans le second. Ce travail s'insère dans le contexte d'études récentes dans lesquelles l'utilisation de dispositifs basés sur l'excitation d'ondes de plasma tridimensionnelles a été proposée pour des applications térahertz, à l'heure où les ondes de plasma bidimensionnelles demeurent très limitées en puissance. Cette étude est menée à travers le développement d'un outil numérique de simulation basé sur le modèle hydrodynamique couplé à un solveur de Poisson unidimensionnel. La réponse des diodes à différentes perturbations optiques et électriques est alors évaluée à travers la description du régime petit-signal, et l'influence sur les résonances de plasma des différents paramètres des diodes est mise en évidence pour l'InGaAs et pour le GaN. Une résolution matricielle de l'équation de Poisson à deux dimensions est également présentée en vue d'un couplage ultérieur avec le modèle hydrodynamique à deux dimensions, ce qui permettrait éventuellement une étude plus approfondie des ondes de plasma dans les transistors. En outre, vu que les paramètres d'entrée du modèle hydrodynamique sont tirés d'un simulateur Monte Carlo dont les paramètres d'entrée sont directement calculés à partir de la structure de bandes du matériau, une partie préliminaire à la simulation des dispositifs, et qui implique le calcul de la structure de bande des matériaux par la méthode semi-empirique du pseudopotentiel, est aussi traitée. / The objective of this thesis is the analysis of three-dimensional plasma oscillations in diodes based on InGaAs and GaN, materials of great interest for terahertz applications because of the high electron mobility of the first and the strong electron-optical phonons interactions in the second. This work falls within the context of recent studies in which the use of devices based on the excitation of three-dimensional plasma waves has been proposed for terahertz applications, at a time when two-dimensional plasma waves remain very limited in emission power. This study is conducted through the development of a numerical simulation based on the hydrodynamic model coupled to a one-dimensional Poisson solver. The response of diodes at different optical and electrical excitations is then evaluated through the description of small-signal regime, and the influence on plasma resonances of the various parameters of the diodes is demonstrated for InGaAs and GaN. A matrix resolution of the two-dimensional Poisson equation is also presented for a subsequent coupling with the two-dimensional hydrodynamic model, which would eventually allow a more thorough study of plasma waves in transistors. In addition, since the input parameters of the hydrodynamic model are derived from a Monte Carlo simulator whose input parameters are directly calculated from the band structure of the material, a preliminary study to devices simulation, which involves the calculation of the materials band structure by the semi-empirical pseudopotential method, is also considered.

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O presente trabalho reporta o esforço empenhado para relacionar nível d\'água e vazão, fazendo uso exclusivamente de medições de nível, em campo, durante a passagem de ondas de cheia através de um trecho de canal prismático situado no perímetro urbano da cidade de São Carlos, SP denominado Córrego do Gregório. Montagens para coleta de dados em campo foram testadas e foi utilizada a modelagem hidrodinâmica 1-D para a resolução das equações de Saint-Venant, através do método implícito de quatro pontos de Preissmann. Apesar do potencial do método, já apontado por alguns autores, o presente trabalho reporta dificuldades na realização de medições e também problemas na modelagem de trecho de canal com características muito particulares. Várias análises foram realizadas tais como a verificação do número de passos de tempo necessário para minimização dos efeitos da condição inicial imposta (IQ1), a verificação da celeridade de uma onda de cheia analisando os picos dos eventos e assim determinar o coeficiente de cisalhamento de Manning proposto por Aricò, Nasello e Tucciarelli (2009) e o método implícito na resolução das equações de SV proposto por Jin, Coran e Cook (2004), que funciona como um filtro baseado no número de Froude (condição do tipo de escoamento) também foi testado. Durante o evento do dia 23/03/2013 foi estimado as velocidades em campo. Para cada um dos 12 eventos registrados foi realizado uma simulação utilizando o modelo hidrodinâmico e o melhor resultado foi utilizado em uma segunda simulação para comparar as lâminas d\'água observadas e calculadas. Ao analisar o quanto os valores de erros máximos absolutos (ERMAX1 e ERMAX2) representam em relação ao máximo registro obtido no evento, em porcentagem, têm-se eventos com 3,6% até valores absurdos de 27,1%. Assim, trata-se de um trabalho teórico-experimental que oferece subsídios importantes para futuros trabalhos nessa direção. / This work reports the committed effort to relate water level and flow, using exclusively field measurements of level, during the passage of flood waves through a prismatic channel stretch located on the surroundings of São Carlos - SP called stream of Gregório. Assembles for data gathering in the field were tested and it was used 1-D hydrodynamic modeling for solving equations of Saint-Venant, through the four points Preissmann implicit method. Despite the potential of this method, as pointed out by some authors, this study reports difficulties in performing measurements and to model a channel stretch with very particular characteristics. Several analyzes were performed such as checking the number of time steps needed for minimizing the effects of the initial condition imposed (IQ1), verifying the celerity of a full wave analyzing the peaks of events and so to be able to determine the Manning friction coefficient proposed by Arico et al. (2009) and the implicit method to solve the S-V equations proposed by Jin, Coran e Cook (2004), which acts as a filter based on the Froude number (condition-type flow), was also tested. During the event of the day 23/03/2013 was estimated speeds in the field. For each of the 12 recorded events a simulation was made using a hydrodynamic model and the best result was used in a simulation to compare the second water depths observed and calculated. By analyzing how the values of maximum absolute errors (ERMAX1 and ERMAX2) account for the highest recording obtained at the event, in percentage, have been events with 3.6% until absurd values from 27.1%. So, it is a theoretical-experimental that offers important information for future work in this direction.

Este trabalho teve como objetivo analisar os possíveis efeitos de um aumento do nível do mar no padrão de correntes no Sistema Estuarino de Santos (SP), através do uso do modelo hidrodinâmico do Delft3D-FLOW, considerando diferentes taxas de aumento de acordo com o quinto relatório do Intergovernmental Panel on Climate Change (AR5). Os resultados indicam alteração na velocidade da corrente ao longo do domínio implementado, mais evidente durante a sizígia. Observa-se um aumento da magnitude da corrente em praticamente todo o Canal de São Vicente e redução da magnitude nos canais do Porto de Santos, canal de Bertioga e na região interna do Estuário de Santos. Os resultados do modelo numérico foram comparados com diversos dados coletados na região de estudo e verificou-se a correta representação dos padrões de circulação da área. Este estudo comprovou a importância de utilizarmos resultados de um modelo de maior escala (HYCOM) como forçantes, através da condição de fronteira denominada Riemann, permitindo que o modelo represente fenômenos de baixa frequência, que geram circulações e variações do nível do mar com a mesma ordem de grandeza dos efeitos da maré astronômica na área de estudo. / This study aimed to analyze the possible effects of a sea level rise in Sistema Estuarino de Santos (SP) circulation pattern, through the use of Delft3D-FLOW Hydrodynamic Model considering different elevation rates according to Intergovernmental Panel on Climate Change fifth report (AR5). The results indicate change in the current\'s magnitude, being more evident during the spring tide. There is an increase in the velocity practically all over São Vicente Channel and the reduction of magnitude in the Porto de Santos and Bertioga channels and in the inner region of the estuary. The numerical model results were compared with several measured data and it was verified that the model correctly representats the circulation patterns of the area. This study proved the importance of using results of a larger scale model (HYCOM), forced through a boundary condition called Riemann, allowing the model to represent low frequency phenomena, which generate sea level variations with the same order of magnitude of the effects of the astronomical tide in the study area.

O presente trabalho reporta o esforço empenhado para relacionar nível d\'água e vazão, fazendo uso exclusivamente de medições de nível, em campo, durante a passagem de ondas de cheia através de um trecho de canal prismático situado no perímetro urbano da cidade de São Carlos, SP denominado Córrego do Gregório. Montagens para coleta de dados em campo foram testadas e foi utilizada a modelagem hidrodinâmica 1-D para a resolução das equações de Saint-Venant, através do método implícito de quatro pontos de Preissmann. Apesar do potencial do método, já apontado por alguns autores, o presente trabalho reporta dificuldades na realização de medições e também problemas na modelagem de trecho de canal com características muito particulares. Várias análises foram realizadas tais como a verificação do número de passos de tempo necessário para minimização dos efeitos da condição inicial imposta (IQ1), a verificação da celeridade de uma onda de cheia analisando os picos dos eventos e assim determinar o coeficiente de cisalhamento de Manning proposto por Aricò, Nasello e Tucciarelli (2009) e o método implícito na resolução das equações de SV proposto por Jin, Coran e Cook (2004), que funciona como um filtro baseado no número de Froude (condição do tipo de escoamento) também foi testado. Durante o evento do dia 23/03/2013 foi estimado as velocidades em campo. Para cada um dos 12 eventos registrados foi realizado uma simulação utilizando o modelo hidrodinâmico e o melhor resultado foi utilizado em uma segunda simulação para comparar as lâminas d\'água observadas e calculadas. Ao analisar o quanto os valores de erros máximos absolutos (ERMAX1 e ERMAX2) representam em relação ao máximo registro obtido no evento, em porcentagem, têm-se eventos com 3,6% até valores absurdos de 27,1%. Assim, trata-se de um trabalho teórico-experimental que oferece subsídios importantes para futuros trabalhos nessa direção. / This work reports the committed effort to relate water level and flow, using exclusively field measurements of level, during the passage of flood waves through a prismatic channel stretch located on the surroundings of São Carlos - SP called stream of Gregório. Assembles for data gathering in the field were tested and it was used 1-D hydrodynamic modeling for solving equations of Saint-Venant, through the four points Preissmann implicit method. Despite the potential of this method, as pointed out by some authors, this study reports difficulties in performing measurements and to model a channel stretch with very particular characteristics. Several analyzes were performed such as checking the number of time steps needed for minimizing the effects of the initial condition imposed (IQ1), verifying the celerity of a full wave analyzing the peaks of events and so to be able to determine the Manning friction coefficient proposed by Arico et al. (2009) and the implicit method to solve the S-V equations proposed by Jin, Coran e Cook (2004), which acts as a filter based on the Froude number (condition-type flow), was also tested. During the event of the day 23/03/2013 was estimated speeds in the field. For each of the 12 recorded events a simulation was made using a hydrodynamic model and the best result was used in a simulation to compare the second water depths observed and calculated. By analyzing how the values of maximum absolute errors (ERMAX1 and ERMAX2) account for the highest recording obtained at the event, in percentage, have been events with 3.6% until absurd values from 27.1%. So, it is a theoretical-experimental that offers important information for future work in this direction.

As inundações periódicas na bacia hidrográfica do rio Cuiabá levaram a população a buscar meios para controlar as ocorrências de inundação, o que estimulou a construção da UHE Manso, atualmente sob responsabilidade da empresa Eletrobrás Furnas, em importante afluente desse rio. A partir de então, muito se tem discutido sobre a segurança proporcionada pela contenção de cheias do Aproveitamento Múltiplo de Manso (APM Manso) nas comunidades a jusante, especialmente na região metropolitana do Vale do Rio Cuiabá. O presente trabalho se propõe a avaliar a influência do reservatório de Manso na atenuação das cheias na bacia do Cuiabá. Foram analisados cenários hidráulicos a fim de comparar o impacto dos eventos extremos que ocorreram antes e após a operação da usina nas hipóteses da existência e inexistência do reservatório, e de cheias de projeto com diversos períodos de retorno na sub-bacia do rio Manso. O amortecimento hipotético do APM Manso foi simulado pelo método de Puls, e a translação da onda de cheia foi calculada pelo modelo hidrodinâmico CLiv. Em suma, foi constatado que o reservatório evitou uma cheia que atingiria grandes magnitudes em 2006. Quanto às inundações de maior prejuízo observadas anteriormente à construção da usina, duas delas seriam substancialmente atenuadas com a existência do reservatório; no entanto, uma terceira atingiria os níveis de alerta definidos pela Defesa Civil Estadual. Por fim, concluiu-se que, nas condições ideais de simulação, o APM Manso é capaz de reduzir a frequência das cheias consideradas de risco para as comunidades a jusante para períodos de retorno entre 50 e 100 anos. Apesar do amortecimento verificado, para que haja mitigação dos impactos de maneira racional, diversos outros cuidados devem ser tomados, em especial os relacionados ao planejamento para a ocupação apropriada das áreas de planície de inundação, a fim de que a segurança da população não dependa exclusivamente do reservatório. / The constant floods in Cuiabá river basin had led population to seek ways to control the overflow occurrences, encouraging the construction of Manso hydroelectric power plant, nowadays under responsibility of Eletrobras Furnas Company, in an important tributary of this river. Much has been discussed about the safety provided by the flood attenuation of Manso Multiple Use reservoir (MMU) in downstream communities, mainly in the metropolitan region of Cuiabá River Valley. In this context, this dissertation reports on the evaluation of the influence of Manso reservoir on the flood attenuation in Cuiabá basin. Hydraulic scenarios were analyzed in order to compare the impact of extreme events that occurred before and after hydroelectric power plant operation in the case of existence and non existence of the reservoir, and the impact of design flood with many return periods in Manso river sub-basin. The hypothetical flood-control of the MMU was simulated by level pool routing method, and the wave propagation was calculated by CLiv hydrodynamic model. It was verified that the reservoir avoided an inundation of great magnitudes in 2006. Regarding the major inundations that occurred before the hydroelectric power plant construction, two of them would have been substantially attenuated by the existence of the reservoir, and a third one would have reached the alert levels defined by the State Civil Defense. Finally, it was concluded that, under perfect simulated conditions, MMU is able to reduce the flood frequency considered risky to communities downstream in return periods between 50 and 100 years. Despite the verified flood-control, for the purpose of mitigating the impacts in wise manners, many other precautions must be taken, especially those related to planning for appropriate occupation in flood plain areas, so that population safety does not depend exclusively on the reservoir.