Modelo SWAN e metamodelagem aplicados no estudo de ondas geradas por vento no reservatório de Ilha Solteira

Abstract

A tese propõe uma abordagem abrangente para o estudo de ondas geradas por vento em reservatórios de barragens, tratando especificamente ondas no reservatório da Usina Hidrelétrica de Ilha Solteira. O trabalho integra medições em campo, modelagem numérica determinística e metamodelagem na abordagem probabilística, com vistas à análise mais detalhada dos processos de geração e propagação das ondas no reservatório. Destaca-se a relevância do estudo, considerando os impactos econômicos e de segurança relacionados às ondas em grandes reservatórios. O diagnóstico dos parâmetros significativos no processo de geração e propagação das ondas é executado a partir do modelo numérico SWAN. A metodologia adotada inclui, na sua etapa determinística, a calibração e validação do modelo e análise estatística, e na etapa probabilista aplicação do método de Monte-Carlo, análise de convergência amostral, entre outros, para determinação de índices de Sobol. Para a vertente probabilística é empregada a metamodelagem com PCE (Polynomial Chaos Expansion) calibrado e validado e análise de sensibilidade global por índices de Sobol. Os dados de vento e alturas de onda coletados no Projeto ONDISA (janeiro de 2011) foram utilizados. Os resultados obtidos, ainda que sobre base escassa de dados coletados, apontam avanços significativos na calibração do modelo SWAN para o caso de Ilha Solteira, destacando a importância dos parâmetros físicos, como o whitecapping, na modelagem das ondas. Já na vertente probabilística, a partir dos índices de Sobol de 1ª e 2ª ordens, a pesquisa confirma o elevado peso da intensidade e direção do vento na determinação das alturas significativas, seguido do efeito de whitecapping. Mapas de contorno para altura significativa e período médio de onda foram gerados a partir dos resultados numéricos, que servirá como apoio para aplicação prática em anteprojetos (piscicultura, proteção ambiental) no reservatório e seu entorno. Comparado a estudos anteriores, este trabalho contribui à compreensão da hidrodinâmica de ondas geradas por vento em recinto fechado, nas vertentes determinística e probabilística, com índices de concordância de 82% e desempenho de 67% em relação a dados de campo, em situação crítica de escassez de dados monitorados.

The thesis proposes a comprehensive approach to studying wind wave in dam reservoirs, specifically addressing waves in the reservoir of the Ilha Solteira Hydroelectric Power Plant. The work integrates field measurements, deterministic numerical modeling, and metamodeling in a probabilistic approach to provide a more detailed analysis of wave generation and propagation processes in the reservoir. Emphasis is placed on the relevance of the study, considering the economic and safety impacts related to waves in large reservoirs. The diagnosis of significant parameters in the wave generation and propagation process is performed using the SWAN numerical model. The adopted methodology includes, in its deterministic stage, model calibration and validation, statistical analysis, and in the probabilistic stage, the application of the Monte Carlo method, sample convergence analysis, among others, to determine Sobol indices. For the probabilistic aspect, metamodeling with Polynomial Chaos Expansion (PCE), calibrated and validated, is employed alongside global sensitivity analysis using Sobol indices. Wind and wave height data collected in the ONDISA Project (January 2011) were utilized. The obtained results, although based on a limited dataset, show significant advancements in calibrating the SWAN model for the Ilha Solteira case, highlighting the importance of physical parameters such as whitecapping in wave modeling. In the probabilistic aspect, based on first and secondorder Sobol indices, the research confirms the high influence of wind intensity and direction on determining significant wave heights, followed by the whitecapping effect. Contour maps for significant wave height and mean wave period were generated from numerical results, serving as support for practical applications in preliminary designs (fish farming, environmental protection) within the reservoir and its surroundings. Compared to previous studies, this work contributes to understanding the hydrodynamics of wind-generated waves in enclosed basins, both in deterministic and probabilistic aspects, with agreement indices of 82% and a performance of 67% concerning field data, particularly in critically scarce monitored data situations.