Estudo numérico da influência de parcelas impermeáveis em bacias de drenagem

Orientador : Marcelo Risso Errera, Ph.D.Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa: Curitiba, 16/04/2010Inclui bibliografiaResumo: As redes em forma de árvore (sem loops) são formas geométricas onipresentes na natureza, tendo sua formação e configuração sido alvo de importantes pesquisas. Em especial, estão as redes de drenagem hidrográfica. Entretanto, boa parte dos trabalhos tem considerado estas redes como resultado de chance e necessidade, com forte presença de aleatoriedade. Em contrapartida, uma linha de pesquisa recente tem tratado o tema a partir de termos completamente determinísticos, a partir de princípios termodinâmicos aplicados na Teoria dos Constructais. Este trabalho tem por objetivo dar continuidade a trabalhos anteriores nesta linha. Propõe-se simular a formação determinística de uma bacia hidrográfica plana, inicialmente de permeabilidade homogênea e isotrópica (idealizada em trabalhos anteriores), com exceção a algumas parcelas impermeáveis e sem liberdade de movimento. A bacia recebe uma carga hidráulica (chuva) homogênea, e os canais são formados a partir do campo de pressão estabelecido. A hidrodinâmica é simulada considerando um fluxo de Darcy em solo saturado, e o campo de pressão é, então, obtido numericamente, utilizando o Método dos Elementos Finitos. Os resultados apontam para três conclusões importantes: ocorre a criação de regiões de estagnação anteriores às singularidades; a transposição destas singularidades representa um grande alívio à resistência do sistema; quanto maior a dispersão espacial das singularidades e menor a distância destas para a exutória, menor o ganho de performance com a formação da rede. Palavras-chave: redes determinísticas, teoria dos constructais, geomorfologia, Método dos Elementos Finitos.Abstract: Tree-shaped networks are geometrical forms omnipresent in nature, whose formation and configuration have been aims of important researches. Namely there are the hydrographic drainage networks (river basins). However, most studies have considered networks as a result of chance and necessity, with strong randomness presence. On the other hand, a recent line of research has been approaching the question based on fully deterministic terms, with the help of Constructal Theory principles. This work aims to continue previous works on this subject. A planar river basin formation within a deterministic framework is proposed (idealized in previous works), with the exception of some impermeable parts without freedom to morph. The basin receives a homogeneous hydraulic source (rain), with the channels being formed to reduce the established pressure field. The hydrodynamics is simulated assuming Darcy flow. The pressure field is then computed numerically, using the Finite Element Method. The results have leaded to three main conclusions: there is the formation of stagnation regions prior to the singularities; the system global performance has a great boost after the transposition of these singularities; the larger are the singularities spatial dispersion and the longer are their distance to the outlet, the lesser is the performance gain from the network formation. Keywords: deterministic networks, Constructal Theory, Geomorphology, Finite Elements Method