Orientador: Marcos Gomes Nogueira / Banca: Raoul Henry / Banca: Gilmar Perbiche-Neves / Banca: Claudia Bonecker / Banca: Virginia Sanches Uieda / Resumo: Não disponível / Abstract: Not Available / Doutor

Submitted by Jean Medeiros (jeanletras@uepb.edu.br) on 2016-04-27T13:08:01Z No. of bitstreams: 1 PDF - Paulo Roberto Nunes da Silva.pdf: 2435203 bytes, checksum: 670c8330515f71afb6b844aa174e1d9e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-27T13:08:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PDF - Paulo Roberto Nunes da Silva.pdf: 2435203 bytes, checksum: 670c8330515f71afb6b844aa174e1d9e (MD5) Previous issue date: 2015-05-12 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The construction of reservoirs has become a palliative to remedy or alleviate water shortages primarily of semi-arid regions. However, these artificial environments are constantly subjected to human pressures, considerably reducing its quality for human consumption. Thus, the aim of this study is to identify and measure the point and diffuse sources of pollution and its influence on water quality of two reservoirs located in the course of the river Paraíba / PB Basin. The study was conducted in Epitácio Pessoa and Argemiro de Figueiredo reservoir, located in the city of Epitácio Pessoa and Itatuba - PB, respectively. They were delimited 20 sampling sites for each reservoir. Samples of water and sediment in coastal areas were collected, besides the application of characterization of physical habitats protocols in May 2014. In order to measure the phosphorus input through the point and diffuse sources into the water, it used one proposed mathematical model by Vollenweider (1976). The results verified that the surroundings are relatively impacted and may be susceptible to discharges of nutrients and contaminants. The water quality of the reservoirs showed some environmental and microbiological variables changed by the suggested by the classification standards of water bodies and environmental guidelines for its framework of CONAMA (2005) for human drinking water. The Epitácio Pessoa reservoir, said, from protocols such as greater degree of impact, by presenting the largest metric of anthropogenic disturbance, but was seen as less polluted compared to Argemiro de Figueiredo. According to the results obtained by mathematical modeling, pollutants that reach the Pessoa waters are diffuse and point source in Argemiro de Figueiredo. / A construção de reservatórios se tornou um paliativo para sanar ou amenizar a escassez de água principalmente das regiões semiáridas. No entanto, estes ecossistemas artificiais estão constantemente submetidos a pressões antrópicas, reduzindo consideravelmente a sua qualidade destinada ao consumo humano. Com isso, o objetivo geral deste trabalho é identificar e mensurar as fontes pontual e difusa de poluição e sua influência sobre a qualidade da água de dois reservatórios situados no curso da Bacia do rio Paraíba/PB. O trabalho foi realizado no reservatório Epitácio Pessoa e Argemiro de Figueiredo, localizado no município de Epitácio Pessoa e Itatuba – PB, respectivamente. Foram delimitados 20 pontos de amostragens para cada reservatório. Foram coletadas amostras de água e de sedimento em áreas litorâneas, além da aplicação de protocolos de caracterização de habitats físicos em maio de 2014. Como forma de mensurar a entrada de fósforo através das fontes pontuais e difusas na água, foi utilizada um modelo matemático proposto por Vollenweider (1976). Os resultados constataram, que os ambientes estão relativamente impactados, podendo estarem susceptíveis a descargas de nutrientes e de contaminantes. A qualidade da água dos reservatórios apresentaram algumas variáveis ambientais e microbiológicas alteradas, mediante as sugeridas pelos os padrões de classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento do CONAMA (2005) para águas de consumo humano. O reservatório Epitácio Pessoa, respondeu, a partir dos protocolos, como maior grau de impacto, por apresentar as maiores métricas de distúrbios antropogênicos, porém foi tido como menos poluído, em comparação a Argemiro de Figueiredo. De acordo com os resultados obtidos pela modelagem matemática, os poluentes que alcançam as águas de Epitácio Pessoa são de origem difusas e pontuais em Argemiro de Figueiredo.

Este trabalho tem como objetivo avaliar a viabilidade da aplicação de técnicas de otimização robusta (OR) no planejamento da operação de reservatórios para geração de energia hidrelétrica. A OR é uma técnica de otimização que visa encontrar resultados que sejam menos sensíveis às incertezas nas variáveis do modelo através da minimização da variância da função objetivo para diferentes cenários. Desta forma foi desenvolvido um modelo de otimização robusta aplicado à operação de reservatórios para a geração de energia hidrelétrica, chamado HIDRO-OR, utilizando o software General Algebraic Modeling System (GAMS). Para estudo de caso foram utilizados os dados da UHE Sinop, a ser instalada no rio Teles Pires MT. Inicialmente foi realizada uma análise de sensibilidade utilizando diferentes combinações dos coeficientes de ponderação da função objetivo e três conjuntos de cenários. Nesta abordagem, o modelo resultou em vertimentos indesejados para realizar a diminuição do desvio padrão dos resultados entre os diferentes cenários. Uma solução encontrada para o problema foi realizar a otimização em duas etapas. Na primeira etapa ocorre a otimização robusta propriamente dita e são fixados os resultados para o primeiro mês de operação. Na segunda etapa, apenas a função objetivo principal é otimizada e, assim, são corrigidos os vertimentos indesejados. No entanto, com a otimização em duas etapas, não ocorreram mudanças na operação do reservatório para os diferentes coeficientes de ponderação. Ao final do trabalho conclui-se que, apesar dos resultados da análise de sensibilidade terem sido praticamente iguais com a otimização em duas etapas, estes podem ser considerados robustos pois são factíveis para todos os cenários. Por fim, são realizadas sugestões para a continuidade das pesquisas utilizando as técnicas de OR para a operação de usinas hidrelétricas. / This work aims to evaluate the feasibility of robust optimization techniques (OR) for reservoir management for hydropower production. The OR is an optimization technique which aims to find results that are less sensitive to the randomness of variables in the model by minimizing the variance of the objective function for different scenarios. One OR model was developed to the operation of reservoirs for hydropower production, called HYDRO-OR, using the software General Algebraic Modeling System (GAMS). As study case, data from the Sinop hydropower plant were used, which will be constructed in the Teles Pires river - MT. First, a sensitivity analysis was performed using different combinations of weigh coefficients of the objective function with three sets of scenarios. Preliminary results in this approach showed that the model resulted in unwanted spills to force the reduction of the standard deviation of the results from different scenarios. To correct this, the model was reconfigured to perform the optimization in two stages, the first one being the OR itself in which the results were obtained for the first month of planning. In the second step, the model was optimized again for subsequent months. In this case the model corrected the unnecessary spills but the results were quite similar for the three combinations of the weight coefficients. However the results can be considered robust because it is feasible for all scenarios. Finally, suggestions are made for further studies using the techniques of OR for the operation of hydropower plants.

Devido à taxa de urbanização crescente e às deficiências do sistema de drenagem urbana, tem sido cada dia mais evidente a recorrência e o aumento das inundações nas cidades brasileiras. Nas últimas duas décadas, as medidas estruturais alternativas ganharam espaço nos grandes centros urbanos devido à possibilidade de redução do efeito das cheias através de sistemas de detenção e/ou retenção, sem transferir o volume incremental de água para a jusante. Esta dissertação objetiva analisar a relação custo/eficiência de reservatórios de detenção e de pavimentos permeáveis. Para tal, foi necessária a verificação da possibilidade de implantação do pavimento permeável sem infiltração, seguida da modelagem hidrológica com pavimento permeável e com reservatórios de detenção na bacia hidrográfica do rio Pirajuçara. Para o desenvolvimento dessas análises, foram realizadas simulações matemáticas com o software Hec-Hms. O software ArcGis foi a ferramenta SIG utilizada para a preparação dos dados de entrada. A base de dados que caracteriza os reservatórios de detenção foi fornecida pelo DAEE. Para o pavimento permeável, foram consultadas as pesquisas geradas em função do protótipo de pavimento permeável, implantado no estacionamento do Centro Tecnológico de Hidráulica e Recursos Hídricos, dentro da Universidade de São Paulo. Com as simulações e análises desenvolvidas, foi possível quantificar a redução do escoamento superficial gerado e estimar o custo de reservatórios de detenção e pavimento permeável por unidade de redução do escoamento superficial. Este estudo evidencia que nas bacias de área menor, o uso do pavimento permeável apresenta uma boa relação custo/eficiência, sendo equivalente ao uso de reservatórios de detenção. Conclui-se que, quanto menor a área de implantação, mais competitivo fica o uso do pavimento permeável como medida estruturante. / The increasing urbanization rate and deficiency of urban drainage systems in Brazil has contributed to changes in the recurrence and impacts of urban floods. The actions to reduce the magnitude and damages caused by floods so far are mostly local and focused on classical solutions of urban drainage. The use of structural measures during the last two decades have increased in urban centers due to its effectiveness in reducing the effects of floods without transferring the incremental volume of water to downstream. The most common solutions are detention and/or retention systems. The objective of this dissertation is to analyze the relationship between cost and efficiency of detention reservoirs and permeable pavements. The feasibility of the implementing permeable pavements with retention underneath, that is, permeable pavements that do not infiltrate directly to the ground was analyzed in the Pirajuçara watershed area in São Paulo. A hydrological model was used to compare the response of the permeable pavement solution with the detention reservoirs already installed in the watershed. The hydrological simulation used the HEC-HMS software together with a GIS tool based on ArcGis software. The detention system database was provided by DAEE- Departamento de Águas e Energia Elétrica. The permeable pavement data on cost and efficiency was derived from the prototype installed the parking lot of the Centro Tecnológico de Hidráulica e Recursos Hídricos at the Universidade de São Paulo. This study was able to quantify the reduction of runoff generated, estimate the cost of permeable pavements per unit of reduction and compare it with the peak reduction of the reservoirs. This study showed that, on small watersheds, the use of permeable pavement presents a better cost/efficiency relationship, equivalent to the use of detention reservoirs. The conclusion is that the smaller the watershed, the more competitive is the solution of permeable pavement when compared to other structural measures.

O trabalho apresenta uma descrição da estrutura de um sistema de controle de reservatórios em tempo real e as diversas formas de controle existentes, mostrando a necessidade de otimização e automatização do controle. São descritas as experiências de controle operacional baseado em computador obtidas da bibliografia. É apresentado o estado da arte na modelação da operação, no que diz respeito a simulação, otimização e previsão de demandas. E apresentado o sistema adutor metropolitano de São Paulo e descrito o seu sistema de controle operacional. São discutidos dois modelos alternativos propostos para a previsão de consumos em tempo real, baseados em ajustes polinomiais e harmônicos das séries de dados. Analisam-se os resultados de aplicação prática destes modelos quanto a precisão de resultados e a confiabilidade de operação. / This work describes the structure of a reservoir system control in real time. Several usual types of control are shown, focusing on the need for optimization and automation of real time operations. Experiences on operational control based on computer referred in literature are described. The state-of-art of operation modeling concerning to simulation, optimization and demand forecasting is presented. The Metropolitan System of Water Distribution of São Paulo and its operational control system are described. Two proposed models for water demand forecasting in real time are discussed. The first one is based on the concept of polynomial adjustement to water consumption data. The other one uses an harmonic representation of the observed values. Results of practical application of these models are analyzed, in respect of numerical precision and confidence on operational decisions.

Esta tese trata do desenvolvimento de um modelo de otimização para planejamento da operação de sistemas hidrotérmicos de produção de energia elétrica, chamado SolverSIN. São abordados ao longo do texto os seguintes itens: a estruturação do problema de planejamento da operação hidrotérmica, o reservatório equivalente de energia potencial, o balanço hidroenergético, o balanço de energia e o balanço de intercâmbios entre sistemas de produção de energia. O modelo foi testado e avaliado no Sistema Interligado Nacional de Energia Elétrica (SIN), o sistema hidrotérmico brasileiro, um dos mais complexos do mundo. Foi feita a caracterização da operação histórica do SIN para determinação das funções de perdas e das funções de custo térmico, fundamentais para viabilizar o equacionamento proposto. O modelo \"SolverSIN\" foi escrito em duas linguagens computacionais, um em Planilha eletrônica e outro em linguagem GAMS. A principal contribuição desse modelo é dar suporte à tomada de decisão operacional, envolvendo sistemas hidrotérmicos com eficiência, transparência e precisão. A eficiência do modelo está associada à proposta metodológica, baseada no balanço de energia entre fontes de produção de energia elétrica e as equações de balanço hidroenergético aplicadas aos reservatórios equivalentes de energia potencial. A otimização é feita empregandose a Programação Não Linear (PNL) com utilização das rotinas SNOPT, CONOPT e MINOS. A transparência do modelo é também uma propriedade muito importante, isso fica evidente com processamento do SolverSIN, pois ele permite ao decisor observar claramente o comportamento das variáveis envolvidas no processamento, tanto em situações de simulação, como nas de otimização. A propriedade da precisão é essencial e ela fica evidente com as aplicações apresentadas. Os resultados obtidos demonstram que o equacionamento proposto é adequado para emprego no planejamento da operação de sistemas hidrotérmicos. O SolverSIN é um modelo viável para emprego no planejamento operacional em tempo real de qualquer sistema hidrotérmico. / This thesis treats of development of an optimization model for operation planning of hydrothermal systems for electrical energy production. Discus the problem structure of hydrothermal operation planning, the potential energy equivalent reservoir, the hydro energetic balance, the energy balance and the interchange balance between energy production systems. An optimization model for operation planning is presented and is discussed a case study application with the Brazilian Electrical System. The characterization of historical operation of Brazilian System is done for lose functions determination, needed for the optimization model proposed. Thermal function coasts are also defined. The model entitled \"SolverSIN\" is presented in electronic sheet (Excel) version or GAMS program and is done applications with result analysis. The main contribution of this model is decision maker support on operational hydrothermal systems with efficiency, transparency and precision. The model efficiency is associated with methodological proposal, based on energy balance of electrical sources and hydro energetic balance equations applied to potential energy equivalent reservoir. The optimization process is solved by Non Linear Programming (NLP) with commercial solvers SNOPT, CONOPT and MINOS, with reliable on international technical community. The model transparency is also a property very important. The SolverSIN model runs allow that the decision maker clearly observe the involved variables, either on simulation, or optimization. The precision property is essential and gives evidence with presented applications. The results show that the SolverSIN model is proper for any hydrothermal systems operation planning.

O presente trabalho foi desenvolvido na Represa do Guarapiranga, situada na Região Metropolitana de São Paulo - RMSP, (23º43’S e 46º32’W); visando a utilização dos macroinvertebrados bentônicos como organismos indicadores de poluição. No período de março/96 a fevereiro/97, foram realizadas coletas mensais em dez estações de amostragem. Obteve-se amostras de água para análise de parâmetros físicos e químicos (superfície, meia profundidade e fundo) e de macroinvertebrados bentônicos. No que se refere aos parâmetros colimétricos os resultados de Números Mais Prováveis de bactérias coliformes fecais e totais em algumas das coletas ultrapassaram o padrão da Resolução CONAMA nº 20/1986 para águas de Classe 2 (1.000 coliformes fecais/100 mL e 5.000 coliformes totais/100 mL). Quanto à comunidade bentônica analisou-se: densidades numéricas, abundâncias relativas, índices de diversidade, eqüitatividade e riqueza. Elaborou-se um dendrograma de agrupamento para as estações de coleta (espacial) com os valores das densidades numéricas dos organismos bentônicos. Para as estações de coleta verificou-se as correlações (por meio do teste não paramétrico de correlação por “rank” de Spearman entre os dados referentes à comunidade bêntica e às variáveis abióticas e bióticas. A análise da fauna bentônica durante o período de estudo, permitiu evidenciar um gradiente trófico tanto em relação aos parâmetros físicos e químicos quanto para os organismos bentônicos, sendo que as estações mais afastadas da barragem mostraram-se menos eutróficas, enquanto que a poluição orgânica acentuada caracterizou as estações mais próximas à barragem, com predominância do grupo Tubificidae. / The present study was carried out in Guarapiranga Reservoir, in the Metropolitan Region of São Paulo – MRSP (23º 43’ S and 36º 32’W), aiming to utilize benthic macroinvertebates as pollution indicators. From March 1996 through February 1997, water samples were collected monthly and analyzed for its physico and chemical parameters (in the surface, middle and bottom of the water column) as well as for benthic macroinvertebates. The analysis of MPN of total and faecal coliform bacteria revealed that in some of the samples the number of these organisms exceeded the standards in CONAMA Resolution number 20/1986 for class 2 waters (1.000 faecal coliforms/100 mL and 5.000 total coliforms/100 mL). Concerning the benthic community, the following parameters were studied: numeric densities, numeric abundances, diversity, equitativity and richness indexes. A cluster dendrogram with data of numeric abundances of benthic organisms was constructed considering the sampling sites (spatial). In each sampling site, the correlations between benthic organisms and biotic and abiotic variables were evaluated by means o Sperman’s non-parametric test. The results obtained for the benthic fauna during the research, showed a trophyc gradient not only for the abiotic parameters but for the benthos as well. Those sites further from the dam were the least eutrophic, while a strong organic pollution was observed in the sampling sites located closer to the dam, with a clear predominance of Tubificidae.

O presente trabalho foi desenvolvido na Represa do Guarapiranga, situada na Região Metropolitana de São Paulo - RMSP, (23º43’S e 46º32’W); visando a utilização dos macroinvertebrados bentônicos como organismos indicadores de poluição. No período de março/96 a fevereiro/97, foram realizadas coletas mensais em dez estações de amostragem. Obteve-se amostras de água para análise de parâmetros físicos e químicos (superfície, meia profundidade e fundo) e de macroinvertebrados bentônicos. No que se refere aos parâmetros colimétricos os resultados de Números Mais Prováveis de bactérias coliformes fecais e totais em algumas das coletas ultrapassaram o padrão da Resolução CONAMA nº 20/1986 para águas de Classe 2 (1.000 coliformes fecais/100 mL e 5.000 coliformes totais/100 mL). Quanto à comunidade bentônica analisou-se: densidades numéricas, abundâncias relativas, índices de diversidade, eqüitatividade e riqueza. Elaborou-se um dendrograma de agrupamento para as estações de coleta (espacial) com os valores das densidades numéricas dos organismos bentônicos. Para as estações de coleta verificou-se as correlações (por meio do teste não paramétrico de correlação por “rank" de Spearman entre os dados referentes à comunidade bêntica e às variáveis abióticas e bióticas. A análise da fauna bentônica durante o período de estudo, permitiu evidenciar um gradiente trófico tanto em relação aos parâmetros físicos e químicos quanto para os organismos bentônicos, sendo que as estações mais afastadas da barragem mostraram-se menos eutróficas, enquanto que a poluição orgânica acentuada caracterizou as estações mais próximas à barragem, com predominância do grupo Tubificidae. / The present study was carried out in Guarapiranga Reservoir, in the Metropolitan Region of São Paulo – MRSP (23º 43’ S and 36º 32’W), aiming to utilize benthic macroinvertebates as pollution indicators. From March 1996 through February 1997, water samples were collected monthly and analyzed for its physico and chemical parameters (in the surface, middle and bottom of the water column) as well as for benthic macroinvertebates. The analysis of MPN of total and faecal coliform bacteria revealed that in some of the samples the number of these organisms exceeded the standards in CONAMA Resolution number 20/1986 for class 2 waters (1.000 faecal coliforms/100 mL and 5.000 total coliforms/100 mL). Concerning the benthic community, the following parameters were studied: numeric densities, numeric abundances, diversity, equitativity and richness indexes. A cluster dendrogram with data of numeric abundances of benthic organisms was constructed considering the sampling sites (spatial). In each sampling site, the correlations between benthic organisms and biotic and abiotic variables were evaluated by means o Sperman’s non-parametric test. The results obtained for the benthic fauna during the research, showed a trophyc gradient not only for the abiotic parameters but for the benthos as well. Those sites further from the dam were the least eutrophic, while a strong organic pollution was observed in the sampling sites located closer to the dam, with a clear predominance of Tubificidae.

Com a finalidade de atender a demanda energética, muitos reservatórios foram construídos no Brasil e, notadamente na região Sudeste, as construções das barragens não somente atenderam aos usos múltiplos (geração de energia, irrigação, lazer e abastecimento público), como também foram elementos propulsores da economia regional, contribuindo para a expansão das atividades industriais e rurais, bem como, um desordenado crescimento urbano. Em conseqüência da falta de planejamento, áreas naturais foram desmatadas, sendo substituídas por formas de plantio inadequadas e por projetos de especulação imobiliária não condizentes com a sustentabilidade ambiental. No decorrer das últimas décadas, os impactos aumentaram em magnitude e extensão, ocasionando sérios problemas aos recursos hídricos, culminando em conflitos pelo uso da água. Dentro deste contexto, destaca-se o rio Tietê, o qual percorre importantes cidades e extensas áreas rurais no Estado de São Paulo, sendo que, neste longo percurso, recebe a contribuição de diversos tributários (poluídos ou não) e efluentes urbanos, industriais e aqueles derivados de fontes não pontuais, além do processo de fragmentação que foi instalado a partir da construção de inúmeras barragens. De forma conjunta, todos os fatores promoveram alterações significativas no sistema e, procurando avaliar a situação atual dos reservatórios, desenvolveu-se uma pesquisa direcionada à análise da composição, densidade e distribuição da comunidade fitoplanctônica e sua relação com as variáveis limnológicas, climatológicas e hidrodinâmicas dos reservatórios da Barra Bonita, Bariri, Ibitinga, Promissão, Nova Avanhandava, Três Irmãos, além dos rios Tietê e Piracicaba e parte do rio Paraná (reservatório de Jupiá e a Jusante do reservatório de Ilha Solteira). Para tanto, foram realizadas coletas nos meses de fevereiro, maio, julho e outubro de 2000 e os resultados obtidos demonstram uma elevada concentração de nutrientes, com redução na seqüência dos reservatórios, além da variabilidade temporal, com efeito significativo da precipitação no transporte de materiais, promovendo alterações no estado trófico de cada sistema. A disponibilidade de nutrientes, transparência da água, vazão e tempo de residência, associados aos fatores climatológicos, foram elementos importantes no estabelecimento das populações, influenciando a composição, densidade e distribuição da comunidade fitoplanctônica, a qual apresentou maior dominância das classes Cyanophyceae e Chlorophyceae, com maior contribuição em densidade e riqueza de espécies, respectivamente. / For the purpose to attend the energy requirement, many reservoirs had been constructed in Brazil, and mostly in Southeast, the barrages construction not only attended to the multiple uses (energy generation, irrigation, leisure and public supply) but were propellant elements for the regional economy, contributing to the expansion of industrial and rural activities, as well as to an disarranged urban development. In consequence of the absence of planning, natural areas had been cleared and replaced by inadequated types of plantation and by land speculation projects not suitable to the environmental sustainability. During the last decades, the impacts increased in magnitude and extension, causing serious problems to the water resources, culminating with disagreements with regards to the water utilization. In this context, Tietê River should be pointed out, since it goes through important cities and large rural areas of São Paulo State and receives, through this long route, the contribution of several tributaries (contaminated or not) and urban, industrial and other effluents, derivated from not punctual sources, besides the calving that occurred after the construction of countless barrages. Conjunctly, all the factor promoted expressive alterations in the system. Aiming to evaluate the actual reservoir situation, a research was developed, focalizing the analysis of composition, density and distribution of the planctonic community and their relationship with limnological, climatic and hydrodinamical variables from Barra Bonita, Bariri, Ibitinga, Promissão, Nova Avanhandava, and Três Irmãos reservoirs, besides Tietê and Piracicaba rivers and part of Paraná River (Jupiá Reservoir, downstream Ilha Solteira Reservoir). For this, collections had been accomplished in February, March, May, July and October 2000. The results demonstrated a high nutrient concentration, which reduces through the reservoir sequence, besides the temporal variability, with significant effect of precipitation in the material transportation, promoting alterations in the trophic condition of each system. Nutrient availability, water transparency, flow, and residence time, associated to the climatic factors, were important elements in the populations establishment, influencing composition, density and distribution of the planctonic community, which presented highest dominance of Cyanophyceae and Chlorophyceae classes, with highest density and species richness contribution, respectively.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Estruturas). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009