Problemas inversos aplicados à identificação de parâmetros hidrodinâmicos de um modelo do estuário do rio Macaé

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.