DADOS DO ESTÁGIO
-Estagiário: Tomas Carlotto -Matricula: 1025302080 -Curso: Engenharia Ambiental -Sexo: Masculino
-Idade: 23 anos
-Orientador: Roberto Valmir da Silva -Supervisor: Pedro Luiz Borges Chaffe
-UCE: Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC -Vigência do estágio: 26/01/2015 até 26/03/2015
INTRODUÇÃO
Para compreender a dinâmica das águas subterrâneas e superficiais em uma bacia hidrográfica, as aplicações de métodos de separação de escoamentos são fundamentais. Separação de escoamento pode ser feita com métodos empíricos como o uso de traçadores, (McGuire; McDonnell (2006) Weiler (2003)) ou por filtros numéricos (Lyne e Hollick (1979), Eckhardt (2005), Chapman (1991), Arnold (1999), Furey (2003)).
Neste trabalho buscou-se desenvolver metodologias para estimar as componentes superficiais e subterrâneas da vazão total durante e após a ocorrência de precipitações. Com esta finalidade os filtros numéricos, elaborados com base em formulações matemáticas que consideram o comportamento físico do sistema, se destacam por permitirem a obtenção de respostas rápidas e aceitáveis.
A separação dos escoamentos permite fazer comparações entre os quantitativos dos escoamentos superficiais e subterrâneos e extrair o índice de fluxo de base (BFI) importante para estimar a recarga das águas subterrâneas. Os filtros também podem ser usados na separação de eventos individuais e desenvolver estudos detalhados e direcionados para eventos específicos dentro de séries longas de vazão.
Além dos métodos de separação de escoamentos são necessários outros tipos de análises da dinâmica das águas para estudar as recessões e as recargas das águas subterrâneas como forma de caracterizar uma bacia hidrográfica. Para a realização destas análises pode ser desenvolvida uma curva mestra de recessões (MRC) ou utilizar o estudo direto das recessões para cada evento. Estas duas abordagens permitem determinar o coeficiente de recessão (𝛼) útil para caracterizar bacias hidrográficas e também para estabelecer parâmetros de entrada para filtros numéricos de separação de escoamentos. Quando o coeficiente de recessão é obtido pela MRC temos um coeficiente característico da bacia que pode ser usado para estimar a capacidade do escoamento subterrâneo em manter os corpos hídricos durante períodos de estiagem.
Diante da importância destes estudos e da necessidade de se ter ferramentas automatizadas que facilitem as análises de dados coletados em campo, estabeleceu-se como atividade do estágio, desenvolver uma ferramenta computacional de análise de hidrogramas tendo como elementos básicos métodos computacionais para a realização de separação de escoamentos por filtros numéricos e também métodos de análises de propagação de escoamentos com a intenção de interpretar os comportamentos superficiais e subterrâneos da água.
O presente relatório descreve as atividades realizadas durante o estágio, discutindo sobre a relação destas com os objetivos do curso de engenharia ambiental. Também faz considerações sobre a importância do estágio para a formação acadêmica e profissional e expõe as contribuições das atividades realizadas para o desenvolvimento de estudos futuros no campo da modelagem hidrológica.
As atividades desenvolvidas envolveram: etapa de revisão bibliográfica para a compreensão dos conteúdos utilizados; etapa de desenvolvimento de rotinas computacionais de separação e propagação de escoamentos com estudo detalhado de eventos, assim como desenvolvimento de rotinas de caracterização das recessões e de obtenção do coeficiente de recessão (α) e etapa de criação de interface gráfica (GUI). A conclusão destas etapas resultou em um conjunto de ferramentas automatizadas para o estudo e caracterização de escoamentos em bacias hidrográficas com base em séries históricas de vazões.
As atividades do estágio seguiram a seguinte sistemática: estudos e implementações de filtros numéricos de Eckhardt, Lyne e Hollick e de Chapman para a separação de escoamentos; desenvolvimento de um método numérico de separação de eventos que utilize os resultados dos filtros numéricos; desenvolvimento de um método de separação de eventos por diferenciação numérica, capaz de realizar a separação de recessões e ascensões; criação de técnicas automatizadas e interativas de montagem de curva mestra de recessão (MRC) pela sobreposição das curvas de recessões de cada evento; implementação do método de correlação para a criação de uma curva mestra de recessão (MRC) e desenvolvimento de uma interface gráfica de usuário (GUI) para unir toda a produção do estágio em uma ferramenta acessível e de fácil utilização.
As atividades foram realizadas sob a supervisão do Professor Dr. Pedro Luiz Borges Chaffe, Engenheiro Sanitarista e Ambiental supervisor do Laboratório de Hidrologia (LabHidro) da UFSC e sob a orientação do Professor Dr. Roberto Valmir da Silva, Engenheiro Sanitarista e Ambiental e professor do curso de Engenharia Ambiental da Universidade Federal da Fronteira Sul – UFFS.
ANÁLISE CRÍTICA
As atividades desenvolvidas proporcionaram o contato com o processo de elaboração e construção de rotinas computacionais para o estudo de séries históricas de vazões em bacias hidrográficas. A execução das atividades demandou o estudo de trabalhos científicos que continham conhecimentos importantes para a formação acadêmica necessária para se trabalhar com fenômenos do ciclo hidrológico e que oferecem um grande campo de pesquisa.
O processo de criação e reprodução dos métodos criados exigiu dedicação constante na busca da compreensão das metodologias de separação de escoamentos, análises de recessões e de determinação do coeficiente de recessão, o que possibilitou a interpretação das formulações matemáticas que estavam sendo desenvolvidas. Nesta parte, os conhecimentos adquiridos durante a graduação em engenharia ambiental foram fundamentais e tornaram possível a criação de técnicas de aplicação de métodos numéricos para determinação do coeficiente de recessão (α), importante para a compreensão dos fenômenos hidrológicos relacionados à dinâmica dos escoamentos de águas subterrâneas em bacias hidrográficas.
Após o entendimento dos fenômenos hidrológicos (precipitação, escoamento superficial e escoamento subterrâneo) e das bases matemáticas necessárias para estudá-los, realizou-se as formulações dos modelos computacionais seguido dos procedimentos para criação de interface gráfica de usuário (GUI).
O processo descrito foi absolutamente benéfico para a formação acadêmica e profissional que pretendo obter, visto que consiste na aplicação de um conjunto de conhecimentos necessários para um Engenheiro Ambiental com interesses pelo estudo, pesquisa e aplicação da modelagem hidrológica no tratamento de problemas reais com influências sobre a gestão dos recursos hídricos e no bem estar da sociedade.
A atividade desenvolvida possui ligação direta com os conhecimentos adquiridos na disciplina de hidrologia vista no curso de Engenharia Ambiental, e exigiu também conhecimentos de cálculo numérico e processos de modelagem e de programação em Matlab. O estágio realizado permitiu a aplicação dos conhecimentos adquiridos durante o curso de graduação, tanto pelas disciplinas cursadas quanto pelos projetos de pesquisa em que participei.
Os conhecimentos vistos na graduação que se mostraram fundamentais para a realização das atividades de estágio foram: hidrologia aplicada ao processo de chuva-vazão, conceitos e teorias relacionadas com escoamento superficial e subterrâneo, estudos de séries de vazões e determinação de eventos e recessões, interpretação de hidrogramas, modelos
hidrológicos, modelagem numérica, processos de análise de séries de dados, diferenciação numérica e computação científica em Matlab.
O estágio proporcionou grandes contribuições para a minha formação acadêmica e profissional, permitindo a aplicação e compreensão de conceitos teóricos de cálculo, hidrologia e programação em Matlab, além de me colocar em contato com trabalhos de outros estudiosos (membros do laboratório) do campo da hidrologia que realizavam apresentações semanais expondo suas percepções dos fenômenos hidrológicos e mostrando resultados de pesquisas.
A rotina diária de trabalho no laboratório de hidrologia (LabHidro) proporcionou a experiência e a oportunidade de conversar com pessoas com bons conhecimentos em estudos nas diferentes partes do ciclo hidrológico, me permitindo ter uma visão ampla dos processos hidrológicos. Diante disso torna-se claro que o estágio no LabHidro teve papel significativo para a minha formação pessoal, pois além de proporcionar um ambiente de aprendizagem, foi fundamental para que eu desenvolvesse novas habilidades de comunicação na busca de expor os meus resultados.
METODOLOGIA
-Unidade Concedente
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC. Florianópolis, Santa Catarina, Brasil. Laboratório de Hidrologia. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental
-Local de estágio
Laboratório de Hidrologia, Depto. Eng. Sanitária e Ambiental: ENS-CTC-Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Universitário, Trindade.
-Horário de realização das Atividades
Dia Horário
Segunda-feira: Das 8:00h às 11:00h e das 13:30h às 16:30h
Terça-feira: Das 8:00h às 11:00h e das 13:30h às 16:30h
Quarta-feira: Das 8:00h às 11:00h e das 13:30h às 16:30h
Quinta-feira: Das 8:00h às 11:00h e das 13:30h às 16:30h
Sexta-feira: Das 8:00h às 11:00h e das 13:30h às 16:30h
-Descrição de atividades
1- Implementações de filtros numéricos de Eckhardt, Lyne-Hollick e de Chapman para a separação de escoamentos.
A primeira semana de estágio foi destinada ao estudo e implementação dos filtros numéricos de separação de escoamentos. Logo os primeiros trabalhos foram de revisão bibliográfica de artigos como os de: Eckhardt (2005), Arnold (1999), Chapman (1991) e Furey et al. (2003) com o objetivo de intender as formulações matemáticas para depois compor os algoritmos de simulação dos processos dinâmicos representados pelas equações que serão apresentadas.
Pode-se considerar que o escoamento total(Qi) é formado por duas componentes: escoamento superficial (fi) e escoamento subterrâneo (bi), onde i é o intervalo de tempo considerado (Collischonn e Dornelles, 2013). A relação matemática é expressa pela seguinte
equação.
𝑄𝑖 = 𝑓𝑖+ 𝑏𝑖 (1)
Se o armazenamento de água no aquífero estabelecer uma relação linear com a vazão no período de estiagem, pode-se aplicar a seguinte equação para descrever o comportamento do escoamento subterrâneo:
𝑏𝑖+1= 𝑏𝑖. 𝑒−∆𝑡𝑘 (2)
O termo exponencial da equação acima representa o comportamento na forma de decaimento exponencial do escoamento no período de estiagem, dependendo da constante de recessão k e do intervalo de tempo ∆𝑡. Pode-se definir um parâmetro a da seguinte forma:
𝑎 = 𝑒−∆𝑡𝑘 (3)
A constante de recessão k pode ser determinada utilizando-se dois valores conhecidos de vazões espaçados por um intervalo de tempo ∆𝑡. Assumindo que as recessões exibem um comportamento exponencial a relação matemática (equação 4) pode ser utilizada.
𝑘 = −∆𝑡
ln (𝑄(𝑡+∆𝑡)𝑄
𝑡 )
(4)
A constante de recessão k é obtida considerando o intervalo entre o início e o fim de uma recessão, quando esta constante representa uma série temporal de dados de vazão que contém vários eventos, k pode ser obtido pela média das constantes de recessão de cada evento.
Filtro de Eckhardt
Segundo Collischonn e Dornelles (2013), em casos de bacias hidrográficas que a contribuição subterrânea tem bastante influência sobre o escoamento total, um filtro numérico com dependência de dois parâmetros foi proposto por Eckhardt (2005) de acordo com a equação 5.
𝑏𝑖 =
(1 − 𝐵𝐹𝐼𝑚𝑎𝑥). 𝑎. 𝑏𝑖−1+ (1 − 𝑎). 𝐵𝐹𝐼𝑚𝑎𝑥. 𝑄𝑖 1 − 𝑎. 𝐵𝐹𝐼𝑚𝑎𝑥
(5)
Se bi > Qi, escoamento no tempo i é igual a Qi.
Onde: 𝑏𝑖 é o escoamento de base no intervalo de tempo i; 𝑄𝑖 é o escoamento total no intervalo de tempo i; 𝑎é o parâmetro que indica o comportamento exponencial; 𝐵𝐹𝐼𝑚𝑎𝑥 é o parâmetro que indica o índice de fluxo de base máximo.
Índice de fluxo de base (BFI) é um parâmetro que representa a razão de longo prazo entre a vazão total e o fluxo de base. O BFImax é adotado como um limitante do índice de fluxo de base, sendo que este parâmetro pode representar as características geológicas e de cobertura do solo do local. A equação 6 representa o cálculo do BFI.
𝐵𝐹𝐼 = ∑𝑁𝑖=1𝑏𝑖 ∑𝑁 𝑄𝑖
𝑖=1
(6)
Onde: N é o tamanho da série temporal de vazões; bi é o escoamento subterrâneo no tempo i; Qi é o escoamento total no tempo i;
Para implementar o filtro de Eckhardt, primeiro realizou-se o estudo de trabalhos disponíveis na literatura com o objetivo de intender as formulações matemáticas para depois compor um algoritmo de simulação do processo dinâmico representado pela equação 5. O filtro numérico foi implementado de acordo com o seguinte diagrama mostrado pela Figura 1.
Filtro de Lyne e Hollick
De acordo com Eckhardt (2005), um filtro numérico para determinar as componentes superficial e subterrânea do escoamento foi proposto por Lyne e Hollick (1979). Para a obtenção da componente superficial do escoamento (fi) os autores propuseram a seguinte equação:
𝑓𝑖 = 𝑎. 𝑓𝑖−1+
(1 + 𝑎)
2 . (𝑄𝑖− 𝑄𝑖−1)
(7)
Figura 1: Diagrama que representa o processo de funcionamento do filtro de Eckhardt (2005).
Que se aplica para 𝑓𝑖 ≥ 0. Arnold et al. (1995) usaram este filtro para determinar a componente subterrânea do escoamento considerando a subtração da componente superficial(b) do escoamento total (Q).
Segundo Chapman (1991), a equação 7 pode ser melhorada e reescrita na forma da equação 8, que permite encontrar diretamente a componente subterrânea do escoamento (b).
𝑏𝑖 = 𝑎. 𝑏𝑖−1+(1 − 𝑎)
2 . (𝑄𝑖+ 𝑄𝑖−1)
(8)
Onde: a é o parâmetro apresentado na equação 3; bi é o escoamento de base ou subterrâneo no tempo i; Qi é o escoamento total no tempo i; Qi-1 é o escoamento total no tempo i-1;
Para aplicar este filtro considera-se que 𝑏𝑖 ≤ 𝑄𝑖, quando esta condição não for satisfeita assume-se 𝑏𝑖 = 𝑄𝑖. A Figura 2 mostra uma forma de implementar um processo automatizado de separação de escoamento com base na equação 8.
Figura 2: Diagrama que representa o processo de funcionamento do filtro de Lyne e Hollick (1979) melhorado por Chapman (1991).
Filtro Chapman
Um filtro de separação de escoamentos que considera a utilização do parâmetro a obtido pela equação 3, foi proposto por Chapman e Maxwell (1996) e é expresso pela equação 9. 𝑏𝑖 = 𝑎 2 − 𝑎. 𝑏𝑖−1+ 1 − 𝑎 2 − 𝑎. 𝑄𝑖 (9)
O diagrama do processo adotado para a montagem do algoritmo pode ser visualizado na Figura 3:
Figura 3: Diagrama que representa o processo de funcionamento do filtro de Chapman (1996).
2- Desenvolvimento de um método automatizado de separação de eventos que utiliza os resultados dos filtros numéricos.
A separação de eventos baseada na comparação entre os valores de escoamento total e escoamento subterrâneo parte de uma hipótese que considera o início de um evento (escoamento superficial) como sendo o momento em que o escoamento total (Q) passa a ser maior que a componente do escoamento subterrâneo (b) e o final do evento quando Q e b voltam a se igualar (vazão proveniente somente por contribuições subterrâneas), porém esta suposição só funciona quando aplicada a um conjunto de dados homogêneo e sem ruídos (flutuações). Como o objetivo do método proposto está relacionado à análise de dados reais, quase sempre há a necessidade de assumir um parâmetro que indique uma faixa de valores aproximados para considerar o inicio ou fim de um evento, pois Q> bnem sempre indica o início de um evento (pois pode ser um ruído), esse comportamento pode ser visualizado na Figura 4.
Diante destas observações, o método de separação de eventos foi implementado considerando um parâmetro Hy que indica a variação mínima entre Qe b para que o evento comece a ser formado. A Figura 5 mostra o diagrama simplificado do processo de separação de eventos.
A utilização do parâmetro Hy como um valor fixo para toda a série ocasiona o surgimento de um espaçamento entre a curva que delimita o escoamento subterrâneo e a curva do escoamento superficial(f), isso passa a influenciar com maior intensidade em eventos que
Figura 4: exemplo genérico de um caso de flutuações nos dados. A parte mais escura do gráfico representa o escoamento subterrâneo e a curva em azul o escoamento total.
Fonte: Produção própria
Tempo
Q (
m
os valores de pico de escoamento total são próximos de Hy. No método desenvolvido este problema foi corrigido usando uma busca regressiva do ponto onde Q e b se igualam a montante da curva de ascensão e uma busca progressiva do ponto onde Q e b se igualam a jusante da curva de recessão, desta forma a curva de ascensão foi prolongada até alcançar o valor nulo de f a montante e a curva de recessão foi prolongada até alcançar o valor nulo de f à jusante.
Ao final do processo os eventos são salvos em um diretório principal (base de dados) e podem ser acessados para realização de estudos detalhados sobre cada evento e também por outras ferramentas que usam estas informações em seus processos.
Figura 5: Diagrama simplificado do processo de separação de eventos com utilização de filtros numéricos
A eficiência do método de separação de eventos pode ser melhorada aplicando uma técnica de supressão de ruídos nas séries temporais de vazões. Para isso a aplicação de média móvel de 3ª ordem é sugerida, podendo ser aplicada mais de uma vez.
3- Desenvolvimento de um método de separação de eventos por diferenciação numérica, capaz de realizar a separação de ascensões e recessões.
Os estudos de séries históricas de vazões geralmente exigem análises direcionadas aos eventos que as constituem estes são formados por períodos de ascensão ocasionados pela ocorrência de precipitação e por períodos de recessão que ocorrem durante a estiagem, estás duas fases do escoamento exibem o comportamento característico da bacia hidrográfica frente a diferentes condições naturais.
Para caracterizar uma bacia os períodos de recessão são bastante estudados, pois é nesta fase do escoamento que ocorrem as situações mais críticas no que se refere à gestão dos recursos hídricos. Para entender como a bacia se comporta em períodos de recessão são realizados diversos estudos que visam à determinação da constante de recessão (k) e do coeficiente de recessão (𝛼). Vários trabalhos exploram diferentes métodos de determinação do coeficiente de recessão (𝛼) (Tallaksen (1995), Toebes et al. (1969), Merkel (2014), Fenicia et al. (2005)), nestes estudos o conhecimento detalhado das séries históricas de vazões é fundamental.
Um bom nível de detalhamento permite fazer uma boa interpretação do comportamento da bacia frente à ocorrência de precipitações ou períodos longos de estiagem, uma boa forma de obter detalhes da série de vazões começa pelo processo de identificação de eventos, para isso é necessário realizar um procedimento repetitivo de separação, isolando cada evento e depois uma série de análises individuais para determinar as partes correspondentes às ascensões (período de aumento do escoamento total) e às recessões (período de diminuição do escoamento total). Ter os períodos de recessão de toda a série histórica de vazões bem delimitados permite o desenvolvimento de análises mais consistentes a cerca das características da bacia.
Quando as séries temporais de vazões são muito extensas os procedimentos manuais com base em observações dos dados, tornam-se processos cansativos e muitas vezes inviáveis, obrigando que os estudos sejam feitos de forma simplificada com adoção de poucos eventos para representar a série completa, isso reduz a representatividade do estudo podendo gerar interpretações equivocadas. Diante desta problemática a utilização de um método
automatizado de separação de eventos torna-se de grande utilidade, pois possibilita a realização de estudos detalhados de séries extensas de vazões de forma otimizada.
Neste contexto esta etapa das atividades de estágio consistiu na realização de estudos que permitiram propor um método automatizado de separação de ventos a partir da aplicação dos conceitos de diferenciação numérica.
Nos procedimentos realizados para a criação do método aplicam-se as seguintes considerações:
O método diferencial de separação de eventos consiste na aplicação de derivação na série histórica de vazões com o objetivo de identificar os momentos de início e fim das ascensões e de inicio e fim das recessões. O período entre o início da ascensão e o final da recessão corresponde a um evento completo.
O principal problema enfrentado quando se pretende aplicar um método diferencial com a finalidade de determinar o instante em que as taxas de variação dos valores de vazão são positivas ou negativas, é a ocorrência de flutuações nos dados coletados. Para suavizar a curva formada pela série temporal de vazões, é proposta a utilização
de uma média móvel de 3ª ordem, que pode ser aplicada mais de uma vez na série de dados, até que a curva torne-se satisfatoriamente suave sem perder a representatividade. Também pode-se aplicar o filtro de ruídos de Savitzky-Golay que não causa perda de dados.
A curva suavizada tem a função apenas de permitir a aplicação da derivação, e encontrar os intervalos que delimitam os eventos.
Após a delimitação dos eventos é possível trabalhar tanto com os dados suavizados quanto com os dados originais sem nenhuma perda de informação.
Para iniciar o processo de seleção e montagem dos eventos, assume-se um parâmetro (T) que indica qual a variação mínima entre os valores iniciais e finais das ascensões para classifica-las como ascensões pertencentes á eventos válidos. O mesmo é aplicado para as recessões.
Após a seleção das recessões e ascensões é iniciado o processo de junção das curvas. Nesta etapa assume-se que as curvas irão ser unidas caso seus valores máximos estejam com uma diferença mínima tanto entre as vazões quanto entre as posições no eixo do tempo.
A diferença mínima entre o tempo final das ascensões e o tempo inicial das recessões é definida por um parâmetro denominado de var_x e a diferença mínima entre as
vazões máximas das recessões e ascensões é definida por um parâmetro denominado de var_y. Logo, se duas curvas estiverem suficientemente próximas elas irão ser unidas para formar um evento.
O método pode ser aplicado a qualquer série de vazões igualmente espessadas no eixo do tempo.
4- Desenvolvimento de métodos automatizadas e interativos de montagem de curva
mestra de recessão (MRC) pela sobreposição das curvas de recessões de cada evento.
Para o desenvolvimento do método de criação de curva mestra de recessão utilizou-se da ideia de sobreposição das curvas de recessão de cada evento para criar uma curva única que possa representar o comportamento geral das recessões de toda a série de dados. Na literatura trabalhos como os de Beven (1997) e Merkel et al. (2014) também utilizam métodos baseados em sobreposição de recessões para a criação da curva mestra de recessão com posterior determinação do coeficiente de recessão (𝛼), porem diversas metodologias podem ser desenvolvidas para realizar o processo de sobreposição. O que realizou-se nesta atividade de estágio foi o desenvolvimento de um método automatizado para executar o processo de sobreposição de curvas, em que o resultado final é a curva mestra de recessão (MRC). Após a finalização do processo automático há a possibilidade de edição manual para corrigir possíveis imperfeições da MRC.
O método proposto para a criação da curva mestra de recessão é mostrado pela Figura 6 que descreve o processo de união das curvas de recessão.
5- Implementação do método de correlação para a criação de uma curva mestra de recessão (MRC);
O método de correlação é aplicado sobre o conjunto de curvas de recessão correspondentes a série toda. A base do método consiste na plotagem em escala normal das vazões (Qi) contra as vazões de t dias anteriores (Qi-t), onde n é o instante de tempo e t representa um atraso de tempo que é atribuído de forma arbitrária. Segundo Sujono et al. (2004), para a determinação do coeficiente de recessão usando esta técnica, antes deve-se encontrar a constante de recessão (k), que é a inclinação da curva mestra de recessão, que pode ser expressa pela equação 10;
Figura 6: Processo de união das curvas de recessão.
𝑘 = ( 𝑄𝑖 𝑄𝑖−1)
1
𝑡 (10)
E o coeficiente de recessão (α) pode ser determinado pela equação 11.
𝛼 = −log (𝑘) log (𝑒)
(11)
6- Desenvolvimento de uma interface gráfica de usuário (GUI) para a criação de uma ferramenta acessível e de fácil utilização.
As rotinas criadas nas atividades anteriores foram organizadas na forma de módulos, de modo que:
Módulo 1: executa as funções de separação de escoamentos; Módulo 2: executa as funções de separação de eventos;
Módulo 3: executa as funções de criação de curvas mestra de recessão(MRC).
As atividades de desenvolvimento das interfaces gráficas de usuário (GUI) ocorreram simultaneamente com a elaboração dos módulos. Quando as rotinas pertencentes a cada módulo eram finalizadas, realizava-se a criação da interface, seguindo os seguintes procedimentos:
Identificação da quantidade de parâmetros de entrada que o módulo necessita para ser executado e quais serão os formatos das saídas de dados (resultados).
Determinação do modo de exibição dos resultados (Tabela, gráficos, textos, etc.). Identificação da quantidade de funções que o módulo utiliza em seus processos e
verificação de quais elementos de comando a interface necessita (botões, checkbox, radiobutton, entrada de texto, saídas gráficas, etc).
Montagem da estrutura da interface e posicionamento dos elementos gráficos, botões e demais componentes.
Criação dos menus e programação de seus funcionamentos.
Atribuição dos nomes aos elementos gráficos e determinação das ações dos botões de chamada das funções.
Criação dos vínculos entre as funções criadas e os elementos interativos da interface. Análise de erros;
A ferramenta de análise de hidrogramas foi composta por uma interface mestra que contém os menus de acesso aos módulos. Cada módulo possui interface própria que permite a aplicação dos métodos desenvolvidos de forma direta e de forma flexível. A estrutura dos menus da interface principal pode ser verificada na Figura 7.
Desta forma a interface principal tem acesso a todos os módulos desenvolvidos nas atividades de estágio possibilitando que o usuário possa realizar as análises das séries de vazões mesmo sem ter conhecimentos de linguagens de programação.
- Resultados Obtidos
As atividades de estágio resultaram na criação de uma ferramenta computacional de análise de hidrogramas, configurada na forma de uma interface gráfica de usuário que facilita a utilização das funcionalidades dos diferentes módulos que compõe a ferramenta. Para o desenvolvimento das atividades utilizou-se o software Matlab R2013a.
A ferramenta (Figura 8) é composta por um conjunto de módulos que desempenham uma série de funções que vão desde a separação de escoamentos nas componentes superficial e subterrânea até a montagem de curvas mestras de recessão (MRC).
Figura 7: Estrutura dos menus da interface principal.
Módulo de separação de escoamentos
Com este módulo (Figura 9) o usuário pode aplicar os filtros numéricos de Eckhardt, Lyne e Hollick e de Chapman e também solicitar a visualização das figuras que mostram os resultados da separação de escoamentos. Estando disponíveis as opções de visualização dos gráficos para cada filtro e também uma opção que permite visualizar todos os resultados em uma única figura, possibilitando a comparação entre os métodos.
Outro resultado gerado por este módulo é a o índice de fluxo de base (BFI) determinado pela razão entre os resultados dos filtros numéricos (escoamento subterrâneo(b)) e o (escoamento total (Q)) como é mostrado pela equação 6.
Figura 8: Estrutura da ferramenta de análise de hidrogramas.
Fonte: produção própria.
Figura 9: interface gráfica do módulo de separação de escoamentos
Módulo de separação de eventos
Este módulo torna possível separar séries históricas de vazões nos eventos que a constituem, por dois métodos. Pode-se aplicar um método que utiliza os resultados dos filtros numéricos para determinar o início e o fim de cada evento ou um método diferencial de separação de eventos que faz a derivação da série de dados e encontra os períodos crescentes e decrescentes e classifica-os como intervalos de ascensão e de recessão com posterior criação dos eventos pela união entre estas duas partes.
Método de separação de eventos com utilização dos filtros numéricos
A interface gráfica deste método (Figura 10) oferece as opções de seleção do filtro numérico cujo resultado será adotado para identificar os eventos, e também tem o campo de definição do parâmetro Hy que representa a diferença mínima entre o escoamento total e o escoamento subterrâneo para que o evento seja iniciado. A interface exibe as informações que quantificam o escoamento total de cada evento em suas componentes superficial e subterrânea, e como informação complementar também exibe os índices de fluxo de base de cada evento. E conta com a utilização de uma barra de rolagem que permite visualizar a sequência de eventos de maneira prática e fácil.
Cada evento pode ser exibido como figuras contendo informações que relacionam as precipitações do período com o escoamento total e com o escoamento subterrâneo, como mostra a Figura 11.
Figura 10: interface gráfica do módulo de separação de eventos utilizando filtros numéricos.
Método diferencial de separação de eventos.
A interface (Figura 12) para aplicação deste método permite realizar a separação de eventos aplicando diferenciação numérica, com a exigência do preenchimento de três campos destinados à informação dos parâmetros (T, Var_x e Var_y já apresentados acima). Também oferece as opções de visualização de eventos, recessões e da série completa (Figura 13), e conta com a utilização de uma barra de rolagem que permite visualizar facilmente a sequência de eventos e recessões. Os gráficos visualizados na interface podem ser plotados na forma de figuras editáveis permitindo que o usuário faça alteração nas figuras para depois salvá-las.
Figura 11: Gráficos gerados para mostrar os resultados da aplicação do método de separação de eventos por filtros numéricos.
Figura 12: interface do método diferencial de separação de eventos Fonte: produção própria.
Módulo de construção de curva mestra de recessão
A interface deste módudo permite aplicar as funções automatizadas de montagem de curvas mestras de recessão (MRC). Para melhorar o controle sobre os dados de entrada e saída a interface oferece opções de menus e botões para importação e salvamento de dados e conta com funções de configurações graficas que permitem editar as figuras geradas diretamente na interface, é possivel modificar as escalas, nomes dos eixos e também converter as unidades dos eixos com a inserção de parâmetros de ajustes nos campos: ajuste de eixo x e ajuste eixo y, os parâmetro destes campos correspondem a um multiplicador que atua diretamente sobre os dados tempoarais e de vazões (exemplo: para transformar o eixo do tempo de “10 min” para “dias” deve-se inserir no campo de ajuste de eixo x o valor
((60 x 24)10 ), este parâmetro opera sobre os dados para converte-los, após a conversão basta
mudar o nome dos eixos). Ao clicar no botão “MRC – Automática”, iniciará o processo de montagem automatizada da curva méstra de recessão, após a finalização do processo automatizado, a MRC (Figura 14) entra em modo de edição permitindo que o usuário movimente manualmente as curvas que permanecerem deslocadas, para isso basta selecionar a recessão que desejar mover, na lista (seleção de recessões) e com o auxilio das barras de rolagem fazer a movimentação, se a barra de rolagem chegar ao limite, basta clicar no botão azul central para adicionar movimento.
Se o usuário preferir poderá realizar o processo de construção da curva mestra de
Figura 13: figuras geradas a parti do método diferencial de separação de eventos.
recessão manualmente ( se a quantidade de curvas de recessão for pequena), para ajudar neste processo há o botão ordenar que coloca as curvas em ordem crescente pelos seus valores mínimos (Figura 15) desta forma o usuário só precisa juntar as curvas.
Ferramenta de determinação do coeficiente de recessão
A interface desta ferramenta (Figura 16) é utilizada para ajustar as curvas que caracterizarão a curva mestra de recessões e permitira obter o coeficiente de recessão (𝛼), a interface possui as mesmas funções de edições gráficas usadas no módulo de montagem de MRC, e oferece a opção de ajuste manual de curva que permite ao usuário traçar manualmente o numero de retas que julgar necessário para caracterizar a curva mestra. Outra opção é o ajuste automático de curvas que permite ao usuário escolher quantas curvas ajustar
Figura 14: Interface do módulo de montagem da curva mestra de recessões (MRC).
Figura 15: Interface de construção de MRC após a aplicação da função ordenar. Fonte: produção própria.
para capturar o comportamento da MRC, ao finalizar os ajustes os resultados (coeficientes de recessão) são exibidos na lista de resultados.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O estágio proporcionou a obtenção de conhecimentos importantes para a realização de estudos de processos de escoamento superficial e subterrâneo em bacias hidrográficas. Também permitiu a aplicação dos conhecimentos adquiridos no curso de engenharia ambiental ao mesmo tempo em que exigiu o desenvolvimento de métodos próprios de solução de problemas teóricos que surgiram durante a realização das atividades. O estágio permitiu testar os meus conhecimentos e ter uma avaliação própria de meu perfil acadêmico e profissional com relação a estudos na área de hidrologia.
O Laboratório de Hidrologia (LabHidro), por ser um ambiente onde a pesquisa está fortemente inserida, me proporcionou a experiência do trabalho junto com estudantes de graduação, mestrado e doutorado, o que foi de grande valor para a minha formação.
Os resultados das atividades mostram que os objetivos iniciais do plano de estágio foram alcançados, e que os estudos continuaram na busca de fazer um trabalho mais abrangente, abordando teorias de grande expressão para o estudo e gestão de recursos hídricos. Diante disso pode-se dizer que o estágio atendeu as expectativas e me possibilitou valiosos momentos de aprendizagem e desenvolvimento de minhas habilidades como engenheiro.
Durante a realização das atividades de estágio, algumas dificuldades relacionadas ao
Figura 16: interface da ferramenta de determinação do coeficiente de recessão.
desenvolvimento dos métodos numéricos foram encontradas, mas foram resolvidas a partir de estudos de materiais disponíveis na literatura e de revisão de conceitos vistos na graduação.
As potencialidades apresentadas no plano de estágio foram concretizadas, sendo que foram obtidos resultados importantes com aplicação em estudos de hidrogramas, gerando uma ferramenta computacional que ficará disponível para o uso e para o desenvolvimento de novas funcionalidades.
A sistematização escrita das atividades de estágio exigiu conhecimento aprofundado dos conteúdos que estavam sendo trabalhados e também habilidades relacionadas ao desenvolvimento textual juntamente com o desenvolvimento de formas mais simplificadas de relatar os métodos matemáticos que foram criados ou estudados ao longo de cada atividade.
Para promover a harmonização entre os processos de elaboração deste documento e os processos de execução das atividades, resolveu-se registrar por escrito cada atividade no momento em que eram concluídas para evitar o acumulo de informações, o que permitiu realizar os trabalhos com mais segurança visto que as ideias já estavam sistematizadas e disponíveis para a revisão a qualquer momento. A elaboração deste documento trouxe boas contribuições para a minha formação, pois o desenvolvimento de habilidades para escrever sobre as atividades realizadas em Laboratório é uma das partes mais importantes do processo de construção e disponibilização do conhecimento em qualquer estudo prático ou teórico.
Com a finalização deste trabalho, uma ferramenta computacional composta por módulo de separação de escoamento, módulo de separação de eventos e módulo de montagem de curvas mestras de recessão foi criada reunindo os resultados das atividades do estágio. Diante destes resultados pode-se dizer que todos os objetivos propostos no planejamento de estágio foram alcançados.
Para que este trabalho se realizasse, foram fundamentais as participações do professor Pedro Luiz Borges Chaffe e do professor Roberto Valmir da Silva , que além de me apresentarem a oportunidade de estágio no laboratório de hidrologia (LabHidro), também se disponibilizaram para me orientar durante as atividades, para estes profissionais registro aqui os meus agradecimentos. Também agradeço a equipe do LabHidro que mostraram-se receptivos estando presentes ao longo de minhas atividades proporcionando experiências valiosas para a minha formação e também tornando o período de estágio mais agradável visto que proporcionaram momentos de descontração e diálogo.
Agradeço a coordenação do curso de Engenharia Ambiental da UFFS e as demais pessoas que estiveram envolvidas nos processos que tornaram possível a realização deste estágio.
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