Modelagem paramétrica bidimensional para simulação do campo de ondas em águas continentais

Abstract

Resumo: O presente trabalho visa demonstrar que em águas continentais de grande superfície, o campo de ondas gerado por ventos persistentes pode ser simulado utilizando exclusivamente a intensidade do vento atuante e a geometria do corpo d'água. Esse objetivo foi atingido pela aplicação do conceito de campo de fetch, o qual permitiu ampliar o alcance de uma equação paramétrica para o espaço bidimensional. Essa técnica que relaciona o campo de fetch a fenômenos gerados pelo vento foi denominada de Modelagem Paramétrica Bidimensional (MPB). Pela importância que assume ao longo do trabalho, foi realizada uma análise minuciosa a respeito do fetch, abordando aspectos como a sensibilidade, as limitações e comparações entre alguns dos métodos desenvolvidos no decorrer dos anos. O desenvolvimento do trabalho foi possível pela concepção de programas computacionais em linguagem LISP. Os aplicativos principais são os modelos ONDACAD, através do qual são gerados mapas temáticos de distribuição de fetch e altura de ondas, e INTERPLOT, capaz de gerar campos de vento, tanto uniformes como variáveis. A integração entre os modelos ONDACAD e INTERPLOT é feita pelo Sistema HIDRONDA, o qual tem a função de automatizar o processo desde o recebimento dos dados até a publicação dos mapas temáticos em tempo real pela WEB. Os resultados do modelo numérico SWAN foram adotados como representantes da realidade física. O processo de correlação entre os resultados dos modelos SWAN e ONDACAD foi desenvolvido com base na adoção das condições de águas profundas, campo de vento uniforme e persistente. A demonstração da acurácia da técnica apresentada foi precedida pela concepção de dois métodos: (1) O método Rápido, o qual permite determinar por uma operação elementar, o fetch máximo como uma dimensão características para qualquer corpo d'água. (2) O método dos Prismas Equivalentes, o qual, baseado nas correlações do método Rápido, permitiu representar um corpo d'água de qualquer formato e dimensão através de um Prisma, eliminando os efeitos de dendriticidade e irregularidade das margens. Ao se comparar os resultados gerados pelos modelos SWAN e ONDACAD, verificou-se que o tamanho do erro foi afetado pela magnitude do corpo d'água e pela intensidade do vento. Deste modo foi possível concluir que, respeitadas as condições assumidas, a técnica de modelagem paramétrica bidimensional gera resultados mais próximos do modelo numérico de base física para corpos d'água maiores e para ventos intensos, atendendo em qualquer situação a um erro máximo de 20% entre os campos de onda simulados. A versatilidade da técnica de modelagem paramétrica bidimensional, dependente somente de informações de vento como variável dinâmica, foi operacionalizada pela concepção de um sistema automatizado de simulação de altura de ondas para corpos d'água continentais localizados em qualquer lugar da Terra, denominado HIDRONDA, disponível em http://www.hidronda.com. Palavras-chave: onda, fetch, SWAN, ONDACAD, HIDRONDA

Abstract: The present work demonstrates that in continental waters of large surface the wave field generated by persistent winds can be simulated by using only information of the intensity of the wind and the water body geometry. This goal was achieved by applying the concept of fetch field, which allowed the applicability of parametric equations for the two-dimensional space. The technique presented in this work is called Dimensional Parametric Modeling. A detailed analysis of several fetch aspects was performed by addressing issues such as sensitivity, limitations and comparisons between some of the methods developed over the years. The development of the work was accomplished by the design of computer programs in LISP programming language. The main applications are the ONDACAD model, which provides maps of distribution of fetch and wave height, and the INTERPLOT model, that generates uniform and variable wind fields by interpolation methods. The integration between the ONDACAD and the INTERPLOT models is achieved by the HIDRONDA system, which automates the process from the data income to the publication of the final maps in real time on the internet. The results of the numerical model SWAN were adopted as representative of the physical reality. The correlation process among the results of the SWAN and ONDACAD models was based on the assumptions of deep water situation and uniform winds. The accuracy analysis of the methodology was preceded by two methods: (1) the Método Rápido, which allows to determine by an elementary operation the maximum fetch as a characteristic dimension to any body of water, and (2) the method of Prismas Equivalentes, which represents the body of water of any dimension and format as a prism, eliminating the effects of the dendritic and irregular edges. The result comparisons between the SWAN and ONDACAD models showed that the error level is affected by the magnitude of the water body and by the intensity of the wind. It was concluded that equivalence of the results obtained by the two-dimensional parametric model and by the numerical model grows for larger water bodies and strong winds situations. In spite of this characteristic, the maximum error between the simulated wave fields reached 20%. The versatility of the technique of the two-dimensional parametric modeling was operationalized by the development of a wave height simulation system applicable for inland water bodies located anywhere on the Earth. This tool, named HIDRONDA system, is available online at http :// www.hidronda.com. Key-words: wind wave, fetch, SWAN, ONDACAD, HIDRONDA