Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/60717
Type: Dissertação
Title: Estrutura de modelos hidrológicos e sua inter-relação com atributos físicos e assinaturas hidrológicas
Authors: Gustavo de Oliveira Corrêa
First Advisor: Francisco Eustáquio Oliveira e Silva
First Referee: Veber Afonso Figueiredo Costa
Second Referee: Dirceu Silveira Reis Júnior
Third Referee: Pedro Luiz Borges Chaffe
Abstract: Há tempos a literatura hidrológica busca relações entre as assinaturas hidrológicas, atributos físicos das bacias e os modelos hidrológicos. A compreensão dessa inter-relação é fundamental para compreender e representar o comportamento das bacias hidrográficas, especialmente em face das limitações associadas ao monitoramento disponível. Dentre as diversas classificações de modelos hidrológicos, uma delas classifica-os em baseados em princípios físicos e orientados a dados. No meio deste cenário, cresce a discussão na comparação destas abordagens e o quanto as assinaturas hidrológicas e as características físicas das bacias impactam na eficácia dos modelos, utilizando amplas bases de dados hidrometeorológicas públicas. Neste aspecto, as redes neurais recorrentes do tipo LSTM têm ganhado notoriedade nos estudos hidrológicos pelo seu desempenho frente aos modelos conceituais. Devido a diversas opções de modelos conceituais, alguns estudos buscam, por meio de frameworks multimodelos, identificar e analisar a adequabilidade da estrutura do modelo conceitual às diferentes bacias, assumindo que os modelos hidrológicos estão intrinsicamente conectados às propriedades físicas das bacias, dadas as complexas interações entre clima, solos, vegetação e topografia. Algo ainda não explorado é comparar as redes LSTM frente a melhor estrutura de modelo conceitual calibrada individualmente para cada bacia. Este trabalho tem como objetivo identificar e analisar a inter-relação entre as assinaturas hidrológicas, as características físicas das bacias hidrográficas e a eficácia das diferentes estruturas de modelos hidrológicos, seja baseado em processo físicos ou orientados a dados. Para tal, utiliza as redes LSTM e, numa extensão aos estudos consultados, faz uso de um framework de estruturas conceituais flexíveis (FUSE) para avaliação dessa adequabilidade. Uma extensa base de bacias pública foi utilizada, avaliando desde a calibração multiobjetivo de modelos conceituais utilizando assinaturas hidrológicas, a estimativa de assinaturas pelas características físicas, a caracterização de grupos homogêneos, e a relação das assinaturas, atributos físicos e os modelos, seja conceitual ou orientado a dados. O estudo reitera as conclusões de outros pesquisadores ao indicar que a calibração apoiada nas assinaturas hidrológicas é adequada e estende a interpretabilidade física dos modelos conceituais. Os resultados também indicam que as características físicas podem ser empregadas para inferir o comportamento das assinaturas hidrológicas em bacias sem monitoramento hidrométrico e propõe cinco agrupamentos por similaridade das métricas hidrológicas, com consistência espacial. Os resultados reforçam a dificuldade de se estabelecer uma relação entre as assinaturas hidrológicas, características físicas e a estrutura do modelo conceitual, mas obtêm uma série de regras de associações, capazes de fundamentar a seleção de estruturas apropriadas a representação dos fenômenos. Por fim, o estudo destaca a utilização de assinaturas hidrológicas como entrada para as redes LSTM, validando a hipótese que a utilização de assinaturas hidrológicas como camada estática, no lugar dos atributos físicos, permite o alcance de resultados semelhantes ou melhores, com vantagens já demonstradas em estudos fundamentados na análise de modelos baseados em processos físicos.
Abstract: For some time, the hydrological literature has been seeking a relationship between hydrological signatures, physical attributes of basis, and hydrological models. Understanding this interrelation is fundamental to understanding and representing the behavior of the basins, especially given the limitations associated with available monitoring. Among the various classifications of hydrological models, one classifies them based on physical principles and data-driven approaches. Against this backdrop, there is growing discussion about comparing these approaches and how much the hydrological signatures and physical characteristics of the basins impact on the effectiveness of the models, using extensive public hydrometeorological databases. In this regard, Long Short-Term Memory (LSTM) recurrent neural networks have gained prominence in hydrological studies due to their performance compared to conceptual models. Given the myriad options for conceptual models, some studies aim, through multi-model frameworks, to identify and analyze the appropriateness of the conceptual model structure to different watersheds, assuming that hydrological models are intrinsically connected to the physical properties of watersheds given the complex interactions between climate, soils, vegetation, and topography. Something that has not yet been explored is comparing LSTM networks against the best conceptual model structure calibrated individually for each basin. This research aims to identify and analyze the interrelation between hydrological signatures, the physical characteristics of the basins and the effectiveness of different hydrological model structures, whether physical process-based or data-driven. To this end, it employs LSTM networks and, extending beyond the referenced studies, uses a Flexible Model Structure (FUSE) framework to evaluate this suitability. An extensive database of public basins was used, evaluating the multi-object calibration of conceptual models using hydrological signatures, the estimation of signatures by physical characteristics, the characterization of homogeneous groups, and the relationship between signatures, physical attributes and models, whether conceptual or data-driven. The study reiterates the conclusions of other researchers by indicating that calibration based on hydrological signatures is appropriate and extends the physical interpretability of conceptual models. The results also indicate that physical characteristics can be used to infer the behavior of hydrological signatures in basins without hydrometric monitoring and propose five groupings by similarity of hydrological metrics, with spatial consistency. The results reinforce the difficulty of establishing a relationship between hydrological signatures, physical characteristics and the structure of the conceptual model, but provide a series of association rules capable of supporting the selection of appropriate structures to represent the phenomena. Finally, the study highlights the use of hydrological signatures as input to LSTM networks, validating the hypothesis that the use of hydrological signatures as a static layer, instead of physical attributes, allows similar or better results to be achieved, with advantages already demonstrated in studies based on the analysis of models based on physical processes.
Subject: Engenharia sanitária
Recursos hídricos - Desenvolvimento
Hidrologia - Modelos
Aprendizado do computador
Hidrologia
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/60717
Issue Date: 18-Aug-2023
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