Teses em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia (Doutorado) - PRODERNA/ITEC

URI Permanente para esta coleçãohttps://repositorio.ufpa.br/handle/2011/4045

O Doutorado Acadêmico inicou-se em 2006 e pertence ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Naturais da Amazônia (PRODERNA) do Instituto de Tecnologia da UFPA (ITEC) da Universidade Federal do Pará (UFPA).

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Acesso aberto (Open Access)
Avaliação de potencial hidrocinético à jusante de centrais hidrelétricas
(Universidade Federal do Pará, 2017-12) HOLANDA, Patrícia da Silva; MESQUITA, André Luiz Amarante; http://lattes.cnpq.br/1331279630816662; SECRETAN, Yves; BLANCO, Claudio José Cavalcante; http://lattes.cnpq.br/8319326553139808
É possível maximizar o rendimento de empreendimentos hidrelétricos, aproveitando a energia remanescente a jusante de barragens a partir da instalação de turbinas hidrocinéticas. Nesse contexto, são apresentados dois estudos de casos de usinas hidrelétricas, um de grande porte Tucuruí, construída no rio Tocantins, na Amazônia, e outro de médio porte Bariri no rio Tietê, no Sudeste do Brasil. Nos projetos de centrais hidrocinéticas, é fundamental o dimensionamento do diâmetro do rotor e da velocidade da água, os quais dependem, respectivamente, das profundidades e velocidades dos rios. Assim, o modelo de Saint-Venant foi aplicado as regiões de estudos. A calibração do modelo foi realizada através de uma regressão linear entre as vazões medidas e simuladas para ambos, resultando em uma correlação de 0,99. A validação foi realizada para um ponto do rio Tocantins com velocidades medidas via ADCP. As velocidades medidas são comparáveis às velocidades simuladas pelo modelo. Assim, foi gerada uma curva de potência entre as vazões medidas e as velocidades simuladas para o ponto que teve suas velocidades validadas, obtendo-se uma correlação de 0,96. Essa mesma curva foi utilizada para estimativas de velocidade, calculando-se a densidade energética e definindo-se a velocidade de projeto para UHEs Tucuruí igual a 2,35 m/s e Bariri 2,25 m/s. Com a velocidade de projeto definida, foram selecionados 10 pontos UHE Tucuruí 1 ponto UHE Bariri para a implantação das turbinas hidrocinéticas. As velocidades desses pontos foram determinadas com o mesmo método usado para a validação das velocidades. Os pontos foram selecionados com base no canal do reservatório de jusante Tucuruí e no final da bacia de dissipação Bariri , o qual possui as maiores profundidades e velocidades sendo convenientes para uma maior geração de energia. Considerando a profundidade do rios e a tecnologia disponível para a sua fabricação, definiu-se para o estudo de grande porte o diâmetro do rotor em 10 m e para o de médio porte 2,1 m. Com a velocidade de projeto definida, o projeto do rotor foi realizado pela metodologia BEM (Blade Element Momentum), permitindo a definição de uma curva de potência instalada da turbina em função da velocidade do rio. Em termos de energia gerada as 10 turbinas podem gerar 2,04 GWh/ano. Esses números demonstram o real potencial do aproveitamento da energia remanescente de usinas hidrelétricas.
Acesso aberto (Open Access)
Desenvolvimento de metodologia para regionalização de curvas de permanência de vazões na Amazônia legal
(Universidade Federal do Pará, 2015-03-30) PESSOA, Francisco Carlos Lira; BLANCO, Claudio José Cavalcante; http://lattes.cnpq.br/8319326553139808
A ausência ou a insuficiência de dados fluviométricos de séries longas e confiáveis, devido a fatores físicos e/ou econômicos, é um dos principais desafios enfrentados em estudos hidrológicos. Com o intuito de contornar esse problema, na presente Tese, foi proposto a aplicação do método de regionalização de curvas de permanência de vazões. Nesse contexto, a hipótese principal foi dividir a região da Amazônia Legal em regiões homogêneas, definidas pelos métodos de análise de agrupamento hierárquico de Ward e difuso Fuzzy C-Means, e para cada uma, formular modelos regionais de curvas de permanência de vazões. Para os dois métodos de análise de agrupamento, a distância euclidiana foi usada como medida de similaridade, e as variáveis explicativas da vazão (área de drenagem, precipitação anual média, comprimento e desnível do rio), foram usadas como dados de entrada. Foram obtidas 4 regiões homogêneas por intermédio do método de Ward e 14 regiões por Fuzzy C-Means. Curvas de permanência foram construídas para cada uma das 214 estações fluviométricas distribuídas em suas respectivas regiões, e calibradas em função de 6 modelos matemáticos (linear, potência, exponencial, logarítmico, quadrático e cúbico). Para cada região homogênea formada pelos métodos de análise de agrupamento, foi formulado um modelo regional de curvas de permanência de vazões, utilizando-se análise de regressão múltipla, relacionando os parâmetros do melhor modelo matemático calibrado com as características físicas (área de drenagem, comprimento e desnível do rio) e climática (precipitação anual média) das bacias. Os modelos regionais obtidos foram validados por meio do método “Jack-Knife cross validation”. Os índices de desempenho encontrados - valores de NASH ≥ 0,75 em mais 62% dos casos, situando-se na faixa de desempenho de aceitável a bom - permitiram concluir que o método Fuzzy C-Means foi o mais indicado para a formação de regiões hidrologicamente homogêneas de vazão. Os modelos regionais desenvolvidos para cada uma das regiões formadas, apresentam-se como uma boa alternativa na modelagem de curvas de permanência de vazão para médias e pequenas bacias sem dados de vazão na região da Amazônia Legal.
Acesso aberto (Open Access)
Metodologia para estimativa do valor da externalidade perda na atividade pesqueira em usinas hidrelétricas
(Universidade Federal do Pará, 2019-04-22) CARVALHO, Evelyn Gabbay Alves; BLANCO, Claudio José Cavalcante; http://lattes.cnpq.br/8319326553139808; DUARTE, André Augusto Azevedo Montenegro; http://lattes.cnpq.br/1135221873341973
Sabendo-se que a concepção, projeto, construção e operação de grandes hidrelétricas, empreendimentos tão recorrentes na Amazônia brasileira, demandam grandes recursos humanos, tecnológicos e financeiros e também impactam e alteram significativamente os locais em que são implantados, neste trabalho se demonstra que é absolutamente necessário que sejam realizadas avaliações fundamentadas, na ciência e na boa técnica, das externalidades provenientes da geração de energia hidrelétrica, para que seja definido o custo real da energia gerada de maneira consistente e correta. Para isso foi desenvolvida metodologia capaz de contabilizar o custo das externalidades de usinas hidrelétricas. O estudo se restringiu a valoração da externalidade proveniente da perda na atividade pesqueira, escolhida dentre inúmeras identificadas na literatura por ser a atividade econômica praticada por significativa parcela da população afetada pelas usinas hidrelétricas, portanto com relevância econômica e, principalmente, social. Foi utilizado o Método do Custo de Oportunidade e Análise de Séries Temporais para fazer previsões. Somente a valoração desta externalidade, que não foi realizada quando dos Estudos de Impacto Ambiental e de Viabilidade Econômica, o custo da energia aumentou entre 1,7 % e 2%, apontando a necessidade de calcular esta e todas as outras externalidades geradas pela implantação de uma UHE e incorporar seus reais valores ao custo, para que o empreendimento seja sustentável, equilibrado e viável, e, que possibilite a comparação realista com outras fontes de geração de energia.
Acesso aberto (Open Access)
Modelagem chuva-vazão-produção de sedimentos via problemas inversos
(Universidade Federal do Pará, 2023-10-05) TORRES FALCÓN, Cindy; ESTUMANO, Diego Cardoso; http://lattes.cnpq.br/5521162828533153; https://orcid.org/0000-0003-4318-4455; BLANCO, Claudio José Cavalcante; http://lattes.cnpq.br/8319326553139808; https://orcid.org/0000-0001-8022-2647
O desenvolvimento de modelos matemáticos e métodos diretos têm possibilitado a predição de fenômenos hidrológicos, como, por exemplo, chuva-vazão-produção de sedimentos. Com intuito de complementar o modelo de simulação, os problemas inversos podem ser utilizados para determinar as propriedades desses fenômenos e estimar os parâmetros, os quais não podem ser medidos diretamente. Assim, este estudo foi desenvolvido em uma pequena bacia hidrográfica da Amazônia com dados de precipitação e parâmetros estimados através do modelo Kineros2 (K2) / modelo direto (MD). O estudo propõe soluções ao problema inverso (PI) caracterizado pelo fenômeno chuva-vazão-produção de sedimentos para eventos com dados escassos, visando estimar a taxa de entrada, estimar os parâmetros físicos, a lâmina de água e a produção de sedimento da bacia analisada. Os dados de carga de sedimentos são oriundos da estação medidora de sedimentos na pequena bacia hidrográfica. Para uma análise mais pontual e detalhada do comportamento do modelo, também foram realizadas combinações de informações provenientes das observações e do modelo Kineros2 (K2) simultaneamente com Problemas inversos (PI). A principal contribuição científica do trabalho é a aplicação do método dos problemas inversos (inferências bayesianas juntamente com uma série de Fourier) para estimativa dos parâmetros do modelo de onda cinemática e do balanço de massa, e para estimativa da lâmina de água e da produção de sedimentos de uma pequena bacia hidrográfica na Amazônia. Os resultados apresentaram bom ajuste entre os dados observados e preditos via PI, pois foram obtidos coeficientes de Nash-Sutcliffe acima de 0,70 e RMSE entre 0.27 e 1.99 na calibração e na validação do modelo chuva-vazão-produção de sedimentos. A simulação da lâmina de água e da produção de sedimentos mostrou um grau de confiabilidade de 95%, sendo consistente com os dados observados.
Acesso aberto (Open Access)
Modelagem numérica-experimental da produção de sedimentos de pequenas bacias hidrográficas da Amazônia
(Universidade Federal do Pará, 2021-04-22) BARBOSA, Ana Júlia Soares da Silva; BLANCO, Claudio José Cavalcante; http://lattes.cnpq.br/8319326553139808; https://orcid.org/0000-0001-8022-2647
A erosão é um processo de impacto direto em ambientes urbanos e rurais. O entendimento desse processo requer o uso de modelos e técnicas de geoprocessamento e de campo, para estimativa aproximada da realizada, já que se trata de um fenômeno com muitas variáveis a serem levadas em consideração. Para o presente estudo utilizou-se de dois modelos para geração de dados em uma pequena bacia hidrográfica amazônica. A USLE (universal soil loss equation) e também a versão modificada MUSLE. Para os dois modelos foram determinados os fatores comuns (K, LS, C e P). Para a USLE a calibração ocorreu para a erosividade da chuva, que é o fator diferencial desse modelo. Após aplicação da USLE com fator R calibrado, o modelo foi aplicado à área de estudo com obtenção de perda de solo média de 1,99 ton. ha-1.ano-1, para um período de 21 anos. Para a MUSLE, as variáveis diferenciais são as hidrológicas (Q e qp) foram determinadas através da análise dos hidrogramas observados com auxílio de um filtro digital. Dois métodos de calibração e validação foram feitos para a MUSLE. O método 1 calibrou os fatores ɑ e b, com dados da produção de sedimentos medidos de 62 eventos de cheia dos anos de 2012 a 2014. Os valores encontrados para os fatores ɑ e b foram iguais a 19,90 e 0,60, respectivamente. A MUSLE foi validada com dados da produção de sedimentos medidos de 62 eventos de cheias dos anos de 2014 e 2015. A equação da MUSLE validada representou de forma satisfatória, em mais de 70%, os dados de perda de solo observados na bacia hidrográfica do igarapé da Prata. O método 2 calibrou apenas o valor de a, por meio do uso da curva de descarga de sólidos com regressão potencial para os anos de 2012 e 2013, as quais apresentaram R2 de 0,70 e de 0,68, respectivamente. O valor de ɑ obtido foi de 17,25, e foi aplicado para a MUSLE, conservado o valor de b em 0,56, valor original do modelo. A validação para esse último método mostrou-se adequada, com R2 de 0,69. Esses resultados validam os modelos empíricos para região com atividades experimentais, o que corrobora para a produção de informações de sedimentos na região amazônica, como forma de amadurecimento e busca de novas pesquisas, para a compreensão dos impactos advindos do transporte de solo entre áreas e no ambiente hídrico.
Acesso aberto (Open Access)
Modelo de gerenciamento de usos múltiplos da água: um estudo de caso para a bacia hidrográfica do rio Tapajós
(Universidade Federal do Pará, 2016-02) FIGUEIREDO, Nelio Moura de; BLANCO, Claudio José Cavalcante; http://lattes.cnpq.br/8319326553139808
Este trabalho trata de um modelo para gerenciamento de usos múltiplos da água, visando minimizar conflitos de uso, relacionados com a operação de sistemas de reservatórios em aproveitamentos hidrelétricos de bacias hidrográficas. O modelo SOUMA – “Sistema de Otimização de Usos Múltiplos da Água”, que consiste em um modelo estocástico de otimização baseado em programação não linear, foi desenvolvido e estruturado em GAMS (General Algebraic Modeling System) com o emprego do solver MINOS. O SOUMA compõe-se de dois módulos auxiliares. O primeiro é um módulo de previsão de níveis de água, que consiste em um modelo estocástico do tipo ARIMA (Auto Regressive Integrated Moving Average). O segundo é um módulo de previsão de vazões, que é um modelo estocástico chuva-vazão, do tipo RNA. O modelo ARIMA na calibração e na validação apresentou R² médio acima de 0,93 e RMSE abaixo de 0,08, capturando de forma satisfatória o comportamento das séries níveis d’água. O modelo chuva-vazão que foi empregado na composição da vazão afluente ao reservatório, com a utilização de arquitetura RNA, apresentou R² médio de 0,954 e RMSE médio de 0,098. O modelo SOUMA foi aplicado à bacia do rio Tapajós para o futuro Aproveitamento Hidro Energético – AHE São Luiz do Tapajós, Itaituba, PA. Foram criados seis cenários que serviram de parâmetros na otimização e minoração dos conflitos. Vazões afluentes ao reservatório foram obtidas e simuladas, para os cenários hidrológicos seco, médio e úmido e para os cenários climáticos El Niño, Neutro e La Niña. Para geração de energia e profundidade de navegação, considerando as afluências dos cenários hidrológicos seco, médio e úmido, o SOUMA evidenciou, em relação aos níveis de referência dos cenários de navegação baixo, médio e alto, a ocorrência de profundidades abaixo da mínima, para gerações médias abaixo de 2.411 MW, 2.939 MW e 3.586 MW, respectivamente. Para geração de energia e capacidade de carga transportada, considerando as afluências dos cenários hidrológicos seco, médio e úmido, o SOUMA demonstrou, em relação aos níveis de referência dos cenários de navegação baixo, médio e alto, que gerações médias acima de 2.869 MW, 3.508 MW e 4.740 MW, respectivamente, não geram ganhos de capacidade de carga transportada e que gerações médias abaixo de 1.344 MW, 1.622 MW 2.056 MW, respectivamente, inviabilizam o transporte de carga. Para geração de energia e cota de inundação, considerando as afluências dos cenários hidrológicos seco, médio e úmido, o SOUMA mostrou, em relação aos níveis de referência dos cenários de controle de inundação baixo, médio e alto, a ocorrência de inundações a jusante, para gerações médias acima de 4.978 MW, 6.057 MW e 7.390 MW, respectivamente. Retiradas consuntivas são significativas apenas no período de junho a outubro. Considerando a média das demandas consuntivas mensais (145 m³/s), para afluências do cenário hidrológico seco, médio e úmido, o SOUMA evidenciou uma perda mensal na geração de energia elétrica de 50 MW, 47 MW e 44 MW, respectivamente. Os resultados aferidos evidenciam que os modelos desenvolvidos são ferramentas de fundamental importância à otimização operacional de sistemas de reservatórios com usos múltiplos, permitindo a otimização de gerações e de defluências em AHE, em períodos de cheia e de estiagem e de grandes demandas energéticas, com a manutenção de condições de navegabilidade em trechos a jusante de barramentos, através de simulações operacionais sustentáveis que minoram conflitos de uso.
Acesso aberto (Open Access)
Modelo de inteligência artificial para estimativa do desmatamento considerando a rede de transporte rodoviário do estado do Pará
(Universidade Federal do Pará, 2022-01-10) NEVES, Patrícia Bittencourt Tavares das; BLANCO, Claudio José Cavalcante; http://lattes.cnpq.br/8319326553139808; https://orcid.org/0000-0001-8022-2647; DUARTE, André Augusto Azevedo Montenegro; http://lattes.cnpq.br/1135221873341973; https://orcid.org/0000-0003-4586-1587
Desde a década de 1950 a matriz de transporte amazônica, assim como de todo o Brasil, priorizou o modal rodoviário sem considerar a potencialidade hidroviária da Amazônia. Estudos anteriores indicam que o sistema rodoviário, formado pela rede viária regulamentada integrada a uma vasta rede clandestina, tem forte relação espacial com o desmatamento da floresta. Assim, o objetivo do trabalho é realizar uma análise quantitativa das variáveis relacionadas ao processo de desmatamento da floresta Amazônica, no período de 1988 a 2018. A área de estudo é o território do estado do Pará, localizado na Amazônia Oriental, segundo maior estado do Brasil em extensão territorial e o mais desmatado. O recurso matemático utilizado foi inteligência artificial com aplicação da técnica de aprendizado de máquinas (machine learning). Utilizaram-se variáveis quantitativas relacionadas à infraestrutura de transportes, variáveis sociais e econômicas, e como variável ambiental, a área desmatada. Foram testados três modelos e o algoritmo Random Forest apresentou o melhor desempenho. Com a função gerada, foi estimada a área desmatada para os anos de 2020, 2030, 2040 e 2050. Utilizou-se análise de sensibilidade para estimar a área desmatada com a implantação da BR-163 e BR-210, na região Norte do Pará. Os resultados demonstram que, mantendo-se o cenário atual, o desmatamento ainda será intenso nas próximas três décadas, com 25,77% de crescimento em relação à área atual, embora com taxas decenais decrescentes e a estimativa de área desmatada promovida pela implantação das rodovias federais é de 4.703,43 km2 a 6.567,48 km2 .
Acesso aberto (Open Access)
Regionalização e estimativa de chuvas do estado do Pará
(Universidade Federal do Pará, 2014-04-25) GONÇALVES, Mariane Furtado; BLANCO, Claudio José Cavalcante; http://lattes.cnpq.br/8319326553139808
Na região Amazônica, um dos fatores que impede o conhecimento mais abrangente dos recursos hídricos é a falta de dados hidrológicos (vazão e precipitação) das pequenas e médias bacias hidrográficas. Isto se dá principalmente em virtude dimensão da região, o que aumenta os custos de implantação e operacionalização da rede. Nesse contexto, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um modelo de regionalização e estimativa de chuvas para estado do Pará. Assim, foi aplicada uma metodologia para delimitação de regiões homogêneas de precipitação, através da análise de agrupamento, em seguida foi determinada a probabilidade de ocorrência de lâminas de chuva para região pluviometricamente homogênea obtida com a análise de agrupamento, através da aplicação de funções de probabilidade; e por último foram determinadas estimativas de lâminas de chuvas, utilizando-se modelos de regressão múltipla. Para todas as etapas, utilizaram-se valores precipitações médias anuais e mensais, de uma série histórica com 31 anos (período de 1960 - 1990), obtidos no site do Centro de Pesquisa Climática, Departamento de geografia, Universidade de Delaware, Newark, DE, E.U.A. Dentre os anos analisados, foram selecionados anos com ocorrência do fenômeno El Niño e La Niña. Utilizando-se o método hierárquico aglomerativo de Ward, tendo como medida de similaridade a distância euclidiana, para precipitações médias anuais e mensais, foram encontradas seis regiões homogêneas de precipitação, exceto para precipitações médias mensais para séries com ocorrência de El Niño e La Niña, que apresentaram quatro e cinco regiões homogêneas, respectivamente. Após a definição das regiões homogêneas, modelos de probabilidades (Normal, Gumbel e Exponencial) foram ajustados para a determinação de lâminas de chuvas nas três sequências de séries históricas, sendo aplicado o teste Qui-quadrado para esta verificação. Após a etapa de calibração, para precipitações médias anuais, constatou-se que o modelo de distribuição Normal ajustou-se melhor a probabilidade de excedência observada; já para precipitações médias mensais o modelo de distribuição Gumbel obteve melhor aderência às frequências de excedência. Os modelos supracitados foram validados, utilizando as séries pluviométricas de 12 estações da Agência Nacional de Águas (ANA), consideradas como estações alvo. Nesta etapa, foi observado que para precipitação média anual, ocorreu aderência dos dados a todas as estações pluviométricas alvo, pois apresentaram resultados da aplicação do teste qui-quadrado inferior a 3,84 (para funções de distribuição normal). E também se constatou que para precipitação média mensal, houve aderência dos dados a todas as estações pluviométricas alvo. Para simulação de lâminas de precipitação, foram testados na calibração, modelos de Potência, segundo modelo de Potência e Linear através do método de regressão múltipla. Como critério de desempenho dos modelos, foi utilizado o erro relativo percentual. Para série histórica contendo todos os anos e séries com ocorrência de La Niña, o modelo que apresentou menor erro relativo percentual foi o Linear. Já para séries com ocorrência de El Niño, o modelo de Potência apresentou menores erros. Assim como, para os modelos probabilísticos, os resultados da calibração dos modelos de regressão múltipla, foram validados com a utilização de estações pluviométricas da ANA. Na etapa de validação para séries contendo todos os anos os erros percentuais variaram de 0,2-39,2%, já quando utilizado em anos de El Niño houve um aumento do erro, variando 1,9-54,8%, e em anos de La Niña de 8,5-55,9%. Apesar de algumas estimativas terem erros consideráveis, acima de 50%, os resultados obtidos, de forma geral, demonstraram que a metodologia pode ser uma boa opção como ferramenta numérica para regionalização e estimativa de chuvas. Os resultados da aplicação dessa metodologia são importantes para um melhor entendimento do regime pluviométrico do Estado do Pará e da Amazônia, podendo servir como ferramenta para um melhor planejamento e gestão de recursos hídricos da região.

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