O presente trabalho visa caracterizar, através de experimentos numéricos, a hidrodinâmica e o transporte de sedimentos em suspensão no sistema estuarino de Caravelas e Peruípe sob diferentes condições forçantes. O sistema é formado por canais que estabelecem a conexão entre os rios Caravelas e Peruípe. Dados de nível de água e velocidade de correntes, obtidos em coletas de campo foram utilizados para aplicar e calibrar o modelo numérico MOHID. Diferentes experimentos numéricos, simulando condições de maré de sizígia e de quadratura com diferentes condições de descarga fluvial, foram realizados. A partir destas simulações foram obtidas distribuições espaciais e pontuais da concentração de sedimentos em suspensão e das correntes forçadas pela maré integradas verticalmente. Em condições de sizígia o estuário é caracterizado por correntes mais intensas e assimétricas, com dominância de vazante. As maiores concentrações médias de sedimento em suspensão ocorreram em condições de sizígia e o transporte de sedimentos resultante foi em direção ao oceano, em função do domínio das correntes de maré vazante. Os experimentos numéricos mostram que os canais que conectam os dois estuários têm papel relevante na dinâmica local. Eles possuem influência na dinâmica sedimentar do sistema estuarino. A hidrodinâmica e o balanço sedimentar do sistema são principalmente modulados pela altura da maré, com pouca contribuição do aporte de água doce. / The aim of this work is to characterize, through numerical modeling experiments, the hydrodynamics and suspended sediment transport dynamics in the Caravelas ? Peruípe estuarine system under different forcing conditions. The system comprises channels that connect the Caravelas and Peruípe rivers. Water level and current velocity data obtained through field campaigns were used to apply and calibrate the MOHID numerical model. Different numerical experiments simulating spring and neap tides with different river discharge conditions have been conducted. Based on these simulations, the hydrodynamics and spatial and temporal distributions of suspended sediment concentrations have been analyzed. During spring tide the estuary is characterized by intense and asymmetric currents (ebb dominated). The highest average suspended sediment concentration occurred during spring tide conditions, with net sediment transport being seaward. The numerical experiments show that the connecting channels play a relevant role in the local suspended sediment dynamics. The hydrodynamic and sediment balance in the system are modulated mainly by the tidal range, with little influence from the freshwater supply.

O conhecimento de regiões costeiras é relevante para o manejo de recursos e segurança, portanto, é de interesse social, uma vez que grande parte da população mundial vive próximo às áreas costeiras. Uma forma de se estudar o ambiente marinho é através da modelagem numérica. Modelos ecológicos proporcionam a possibilidade de avaliar o estado de eutrofização do ambiente, prever consequências ambientais, estimar respostas a variações nas concentrações de nutrientes, quantificar os fluxos nos sistemas costeiros, dentre outros. A hipótese de trabalho é que condições meteorológicas determinam a hidrodinâmica, que por sua vez influencia as propriedades da água. Além disso, o crescimento populacional de zooplâncton depende da disponibilidade de fitoplâncton como alimento, e o crescimento populacional de fitoplâncton é influenciado por nutrientes, luz e temperatura da água. Com isso, o objetivo foi analisar a influência da hidrodinâmica, disponibilidade de luz e temperatura da água na distribuição de fito e zooplâncton, através da implementação de um modelo numérico hidrodinâmico tridimensional, acoplado a um modelo ecológico, no sistema estuarino de Santos - São Vicente. Ecossistemas estuarinos são dinâmicos, complexos, biodiversos e regidos principalmente por fenômenos físicos como maré, vento e chuva. A região de estudo está localizada na região Metropolitana da Baixada Santista, abrangendo os municípios de Praia Grande, São Vicente, Cubatão, Santos e Guarujá. Para desenvolver este trabalho, foi utilizado o modelo Mohid, desenvolvido pela MARETEC no IST, que pertence à Universidade Técnica de Lisboa. Condições iniciais e de contorno foram especificadas para os processamentos do modelo; dados da literatura e trabalhos anteriores foram usados para sua implementação. Com os resultados da modelagem, distribuições de fitoplâncton foram analisadas em função das respectivas condições hidrodinâmicas, de modo a estabelecer suas interações. Os resultados do modelo para variação do nível do mar, corrente, temperatura da água, concentração de fitoplâncton e zooplâncton foram satisfatórios. Apesar disto, alguns resultados podem ser melhorados uma vez que nutrientes foram subestimados e a temperatura da água foi superestimada. / Knowledge on coastal regions are relevant for the management of resources and safety, therefore of social interest, because most of the world\'s population live near coastal regions. One way to study the marine environment is by the numerical modelling. Ecological models enable the possibility to measure the state of eutrophication of a given environment, foresee ambiental consequences, evaluate response from variation on nutrient concentration, quantify fluxes on coastal environments and more. The hypothesis of this work is that meteorological conditions define hydrodynamics, that in it\'s turn define water properties. Moreover, zooplankton populational growth is dependent on phytoplankton availability as a food source, and phytoplankton populational growth is affected by nutrients, light and water temperature. Thereby, the objective was to analyze the influence of hydrodynamics, light availability and water temperature on the phyto and zooplankton, using a tridimentional hydrodynamic model, coupled with a ecological model, at Santos-São Vicente estuarine complex system. Estuarine ecosystems are dynamic, complex, biodiverse and governed mostly by physical phenomena like tides, wind and rain. The study area is located at Baixada Santista metropolitan region, encompassing Praia Grande, São Vicente, Cubatão, Santos and Guarujá. To develop this work, the model MOHID was used, which is developed by MARETEC on IST, which belongs to the Technical University of Lisbon. Initial and boundary conditions were defined for the processing of the model; literature and previous work data were used to implement the model. With the results from the modelling, phytoplankton were analyzed in function to the respective hydrodynamical conditions, in a way to establish it\'s interactions. The modeling results for the water level, current, water temperature, zooplankton and phytoplankton concentration were satisfactory. Despite that, some results can be improved since nutrients were underestimated and water temperature was overestimated.

O presente trabalho visa caracterizar, através de experimentos numéricos, a hidrodinâmica e o transporte de sedimentos em suspensão no sistema estuarino de Caravelas e Peruípe sob diferentes condições forçantes. O sistema é formado por canais que estabelecem a conexão entre os rios Caravelas e Peruípe. Dados de nível de água e velocidade de correntes, obtidos em coletas de campo foram utilizados para aplicar e calibrar o modelo numérico MOHID. Diferentes experimentos numéricos, simulando condições de maré de sizígia e de quadratura com diferentes condições de descarga fluvial, foram realizados. A partir destas simulações foram obtidas distribuições espaciais e pontuais da concentração de sedimentos em suspensão e das correntes forçadas pela maré integradas verticalmente. Em condições de sizígia o estuário é caracterizado por correntes mais intensas e assimétricas, com dominância de vazante. As maiores concentrações médias de sedimento em suspensão ocorreram em condições de sizígia e o transporte de sedimentos resultante foi em direção ao oceano, em função do domínio das correntes de maré vazante. Os experimentos numéricos mostram que os canais que conectam os dois estuários têm papel relevante na dinâmica local. Eles possuem influência na dinâmica sedimentar do sistema estuarino. A hidrodinâmica e o balanço sedimentar do sistema são principalmente modulados pela altura da maré, com pouca contribuição do aporte de água doce. / The aim of this work is to characterize, through numerical modeling experiments, the hydrodynamics and suspended sediment transport dynamics in the Caravelas ? Peruípe estuarine system under different forcing conditions. The system comprises channels that connect the Caravelas and Peruípe rivers. Water level and current velocity data obtained through field campaigns were used to apply and calibrate the MOHID numerical model. Different numerical experiments simulating spring and neap tides with different river discharge conditions have been conducted. Based on these simulations, the hydrodynamics and spatial and temporal distributions of suspended sediment concentrations have been analyzed. During spring tide the estuary is characterized by intense and asymmetric currents (ebb dominated). The highest average suspended sediment concentration occurred during spring tide conditions, with net sediment transport being seaward. The numerical experiments show that the connecting channels play a relevant role in the local suspended sediment dynamics. The hydrodynamic and sediment balance in the system are modulated mainly by the tidal range, with little influence from the freshwater supply.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Esta tese tem por objetivo propor uma estratégia de obtenção automática de parâmetros hidrodinâmicos e de transporte através da solução de problemas inversos. A obtenção dos parâmetros de um modelo físico representa um dos principais problemas em sua calibração, e isso se deve em grande parte à dificuldade na medição em campo desses parâmetros. Em particular na modelagem de rios e estuários, a altura da rugosidade e o coeficiente de difusão turbulenta representam dois dos parâmetros com maior dificuldade de medição. Nesta tese é apresentada uma técnica automatizada de estimação desses parâmetros através deum problema inverso aplicado a um modelo do estuário do rio Macaé, localizado no norte do Rio de Janeiro. Para este estudo foi utilizada a plataforma MOHID, desenvolvida na Universidade Técnica de Lisboa, e que tem tido ampla aplicação na simulação de corpos hídricos. Foi realizada uma análise de sensibilidade das respostas do modelo com relação aos parâmetros de interesse. Verificou-se que a salinidade é uma variável sensível a ambos parâmetros. O problema inverso foi então resolvido utilizando vários métodos de otimização através do acoplamento da plataforma MOHID a códigos de otimização implementados em Fortran. O acoplamento foi realizado de forma a não alterar o código fonte do MOHID, possibilitando a utilização da ferramenta computacional aqui desenvolvida em qualquer versão dessa plataforma, bem como a sua alteração para o uso com outros simuladores. Os testes realizados confirmam a eficiência da técnica e apontam as melhores abordagens para uma rápida e precisa estimação dos parâmetros. / This thesis presents a strategy for automatically obtaining hydrodynamic and transport parameters by means of the solution of inverse problems. Obtaining the parameters of a physical model represents a major problem in its calibration, and this is largely due to the difficulty associated to the field measurements of these parameters. In particular by modeling rivers and estuaries, the roughness height and the turbulent diffusion coefficient represent two of the most difficult parameters to measure or estimate. Here, an automated technique for estimation of these parameters through an inverse problem is applied to a model of the Macaé estuary, located in northern Rio de Janeiro. For this investigation, hydrodynamic and transport models were built in the MOHID platform, developed in the Technical University of Lisbon, which has had wide application in simulation of water bodies. A sensitivity analysis was performed regarding the model responses with respect to the parameters of interest. It was verified that salinity is a sensitive variable for both parameters. The inverse problem was then solved using various optimization methods by coupling the MOHID platform to optimization codes implemented in Fortran. The coupling was carried in a way to not change the MOHID source code, allowing the use of the computational tool here developed in any version of this platform, as well as its modification for use with other simulators. The tests confirm the efficiency of the technique and suggest the best approaches for a fast and accurate estimation of the parameters.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Esta tese tem por objetivo propor uma estratégia de obtenção automática de parâmetros hidrodinâmicos e de transporte através da solução de problemas inversos. A obtenção dos parâmetros de um modelo físico representa um dos principais problemas em sua calibração, e isso se deve em grande parte à dificuldade na medição em campo desses parâmetros. Em particular na modelagem de rios e estuários, a altura da rugosidade e o coeficiente de difusão turbulenta representam dois dos parâmetros com maior dificuldade de medição. Nesta tese é apresentada uma técnica automatizada de estimação desses parâmetros através deum problema inverso aplicado a um modelo do estuário do rio Macaé, localizado no norte do Rio de Janeiro. Para este estudo foi utilizada a plataforma MOHID, desenvolvida na Universidade Técnica de Lisboa, e que tem tido ampla aplicação na simulação de corpos hídricos. Foi realizada uma análise de sensibilidade das respostas do modelo com relação aos parâmetros de interesse. Verificou-se que a salinidade é uma variável sensível a ambos parâmetros. O problema inverso foi então resolvido utilizando vários métodos de otimização através do acoplamento da plataforma MOHID a códigos de otimização implementados em Fortran. O acoplamento foi realizado de forma a não alterar o código fonte do MOHID, possibilitando a utilização da ferramenta computacional aqui desenvolvida em qualquer versão dessa plataforma, bem como a sua alteração para o uso com outros simuladores. Os testes realizados confirmam a eficiência da técnica e apontam as melhores abordagens para uma rápida e precisa estimação dos parâmetros. / This thesis presents a strategy for automatically obtaining hydrodynamic and transport parameters by means of the solution of inverse problems. Obtaining the parameters of a physical model represents a major problem in its calibration, and this is largely due to the difficulty associated to the field measurements of these parameters. In particular by modeling rivers and estuaries, the roughness height and the turbulent diffusion coefficient represent two of the most difficult parameters to measure or estimate. Here, an automated technique for estimation of these parameters through an inverse problem is applied to a model of the Macaé estuary, located in northern Rio de Janeiro. For this investigation, hydrodynamic and transport models were built in the MOHID platform, developed in the Technical University of Lisbon, which has had wide application in simulation of water bodies. A sensitivity analysis was performed regarding the model responses with respect to the parameters of interest. It was verified that salinity is a sensitive variable for both parameters. The inverse problem was then solved using various optimization methods by coupling the MOHID platform to optimization codes implemented in Fortran. The coupling was carried in a way to not change the MOHID source code, allowing the use of the computational tool here developed in any version of this platform, as well as its modification for use with other simulators. The tests confirm the efficiency of the technique and suggest the best approaches for a fast and accurate estimation of the parameters.

Orientadora: Profª Drª Graziella Colato Antonio / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2016. / As crescentes preocupações socioambientais têm incentivado discussões acerca de alternativas que aliem um incremento da participação de fontes renováveis na matriz energética e a redução dos impactos ambientais negativos decorrentes da atividade humana. Nesse sentido, o correto manejo e destinação dos resíduos sólidos urbanos ocupa uma posição importante, pois tratamentos adequados para esses resíduos podem contribuir em ambas as frentes. Uma solução que tem sido largamente utilizada por países desenvolvidos e em desenvolvimento para a destinação dos resíduos sólidos é a sua recuperação energética por processo de conversão termoquímica de incineração. Essa solução tanto contribui para o aumento da oferta de energia, quanto diminui consideravelmente o volume dos resíduos a serem depositados em aterros, e ainda mitiga sua toxicidade. Como parte de um adequado planejamento, implantação e operação de uma planta de conversão energética de resíduos é imprescindível que se conheça seu poder calorífico, e muitos modelos têm sido desenvolvidos, principalmente com a utilização de regressão linear múltipla, técnica matemática que gera modelos de previsão lineares. Este trabalho teve o objetivo de propor uma metodologia de construção de modelos de predição de poder calorífico de resíduos sólidos urbanos, a partir da análise elementar, porém com uma abordagem computacional, utilizando uma técnica de inteligência computacional denominada redes neurais artificiais. Redes neurais podem representar tanto funções lineares quanto funções não lineares, e é através dessa característica que se pretendeu promover um incremento na acurácia das predições de poder calorífico de resíduos. Para tanto, foram testadas 432 configurações distintas de redes neurais, com a variação de 5 parâmetros de arquitetura da rede. Como resultado do trabalho, foi observado que, dentre essas 432 configurações, 80 (18,5%) obtiveram um índice de previsão considerado excelente, e a rede de melhor desempenho (rna-771-bfg-lp) atingiu um índice de erro médio percentual absoluto de 2,9%, na previsão de poder calorífico de 10 amostras. No comparativo com modelos matemáticos da literatura, a rna-771-bfg-lp foi melhor do que todos os modelos considerados, cujo melhor resultado foi 3,9% pelo índice MAPE. Esses resultados indicam que redes neurais se constituem uma técnica de construção de modelos de predição bastante promissora, e que a metodologia aqui proposta é capaz de gerar modelos de predição de poder calorífico de resíduos baseado em redes neurais bastante eficazes para esse tipo de tarefa. / In Brazil, the focus on offshore oil spills accidents is increasing its importance, given the increase in oil production in the country, as in the pre salt fields, which proportionally will increase the risk of accidents. The main consequences of an oil spill are financial losses to the local economy, as well as to the exploitation company, and mainly the serious environmental consequences. Due to the serious impacts of oil spills accidents, not only monitoring, and acting in real time are needed to reduce the impacts of the spread of the oil on the sea surface. Also the simulation of the spatial and time behavior of the oil on the sea surface are important tools on predicting the environmental impacts and evaluation in order to evaluate the influence areas. In addition, it is needed to the Brazilian Environmental Impact Report (RIMA) based on CONAMA's nº01 1986 resolution. The main purpose of this work was to implement an internationally consolidated methodology to model oil spill accidents using the MOHID CFD code. In order to validate the methodology, the MOHID code was used to simulate real and hypothetical accidents in the terminal waterway of São Sebastião city and Santos¿ estuary by using a two-dimensional hydrodynamic transport model and a Lagrangian approach using MOHID code. The hydrodynamic fields were validated by real tide data and the results show how the wind direction is significant to the oil stain¿s trajectory. Therefore, from the results obtained, which agree with the real accident simulated, we concluded that MOHID is an useful tool for future modeling of oil spill accidents and used for future works at UFABC.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta tese é realizada a modelagem do comportamento hidráulico dos principais rios que compõem a bacia hidrográfica do Rio Bengalas, localizada no município de Nova Friburgo-RJ, a qual abrange a área mais urbanizada da referida cidade. Para a realização das simulações foi utilizado o Sistema de Modelagem de Águas MOHID, ferramenta MOHID Land. Já para a calibração do modelo foram adotados alguns métodos de otimização, mais precisamente, os algoritmos de Luus- Jaakola (LJ) e Colisão de Partículas (PCA), acoplados ao referido sistema, com o intuito de determinar os principais parâmetros necessários à modelagem de corpos hídricos, bem como suas bacias hidrográficas. Foram utilizados dados topográficos do IBGE disponibilizados pela prefeitura após a elaboração do Plano de Águas Pluviais da região de interesse. Com o modelo devidamente calibrado por meio de dados experimentais, foi realizada a validação do mesmo através da simulação de inundações nesta região. Apesar de técnicas de otimização acopladas à plataforma MOHID terem sido utilizadas pela primeira vez em um rio de montanha, os resultados apresentaram-se importantes e qualitativamente satisfatórios do ponto de vista de auxílio à tomada de decisões, tendo como base a prevenção de danos causados pelas elevações da lâmina dágua que ocorrem frequentemente em Nova Friburgo, como por exemplo, a recente tragédia de janeiro de 2011 ocorrida na Região Serrana do Estado do Rio de Janeiro. / In this thesis is held the modeling of the hydraulic behavior of the main rivers that form the Bengalas River watershed, located in the municipality of Nova Friburgo, Rio de Janeiro, which covers the most urbanized area of that city. To perform the simulations was used MOHID Waters Modeling System, Land MOHID tool. As for the calibration of the model were adopted some optimization methods, more precisely, the Luus-Jaakola (LJ) and Particle Collision (PCA) algorithms coupled to said system, in order to determine the main parameters needed for modeling bodies water and their watersheds. We used topographic data from the IBGE provided by the city after the preparation of the Stormwater Plan for the region of interest. With the model calibrated through experimental data, the same was validated by simulating flooding in this region. Although optimization techniques coupled to the platform MOHID were first used in a mountain river, the results presented are important and qualitatively satisfactory from the point of view of aid to decision making, based on the prevention of damage caused by increases in water level that often occur in Nova Friburgo, such as the recent tragedy that occurred in January 2011 in the mountainous region of the Rio de Janeiro State.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesta tese é realizada a modelagem do comportamento hidráulico dos principais rios que compõem a bacia hidrográfica do Rio Bengalas, localizada no município de Nova Friburgo-RJ, a qual abrange a área mais urbanizada da referida cidade. Para a realização das simulações foi utilizado o Sistema de Modelagem de Águas MOHID, ferramenta MOHID Land. Já para a calibração do modelo foram adotados alguns métodos de otimização, mais precisamente, os algoritmos de Luus- Jaakola (LJ) e Colisão de Partículas (PCA), acoplados ao referido sistema, com o intuito de determinar os principais parâmetros necessários à modelagem de corpos hídricos, bem como suas bacias hidrográficas. Foram utilizados dados topográficos do IBGE disponibilizados pela prefeitura após a elaboração do Plano de Águas Pluviais da região de interesse. Com o modelo devidamente calibrado por meio de dados experimentais, foi realizada a validação do mesmo através da simulação de inundações nesta região. Apesar de técnicas de otimização acopladas à plataforma MOHID terem sido utilizadas pela primeira vez em um rio de montanha, os resultados apresentaram-se importantes e qualitativamente satisfatórios do ponto de vista de auxílio à tomada de decisões, tendo como base a prevenção de danos causados pelas elevações da lâmina dágua que ocorrem frequentemente em Nova Friburgo, como por exemplo, a recente tragédia de janeiro de 2011 ocorrida na Região Serrana do Estado do Rio de Janeiro. / In this thesis is held the modeling of the hydraulic behavior of the main rivers that form the Bengalas River watershed, located in the municipality of Nova Friburgo, Rio de Janeiro, which covers the most urbanized area of that city. To perform the simulations was used MOHID Waters Modeling System, Land MOHID tool. As for the calibration of the model were adopted some optimization methods, more precisely, the Luus-Jaakola (LJ) and Particle Collision (PCA) algorithms coupled to said system, in order to determine the main parameters needed for modeling bodies water and their watersheds. We used topographic data from the IBGE provided by the city after the preparation of the Stormwater Plan for the region of interest. With the model calibrated through experimental data, the same was validated by simulating flooding in this region. Although optimization techniques coupled to the platform MOHID were first used in a mountain river, the results presented are important and qualitatively satisfactory from the point of view of aid to decision making, based on the prevention of damage caused by increases in water level that often occur in Nova Friburgo, such as the recent tragedy that occurred in January 2011 in the mountainous region of the Rio de Janeiro State.