Análise do emprego de medidas de informação para caracterização espaço-temporal das relações de dependência chuva-vazão
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Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Analysis of the use of information measures to characterize spatial-temporal dependece of rainfall-streamflow relationship
Primeiro orientador
Membros da banca
Wilson dos Santos Fernandes
Carlos Henrique Ribeiro Lima
Carlos Henrique Ribeiro Lima
Resumo
Bacias hidrográficas, de forma simplificada, podem ser interpretadas como sistemas que
transformam a chuva incidente em vazão por meio de processos interatuantes. Em última
análise, as séries de vazões configuram o produto dessas interações que processam a chuva
dentro do sistema. As características espaço-temporais das séries de input e dessas interações
físicas controlam a relação de dependência entre chuva e vazão. A informação transferida do
input ao output é condicionada por atributos físicos e pela constante alteração da paisagem.
Esses fatores, associados a flutuações no tempo e no clima, resumem a complexidade em
representá-la. Há tempos hidrólogos buscam caracterizá-la com vistas a sua extrapolação e a
compreensão dessa relação, sua complexidade e variabilidade espaço-temporal que, em
princípio, pode ocorrer por meio da caracterização da informação presente nas séries de chuva
e que é efetivamente transmitida/transformada em vazão. No presente estudo essa relação de
dependência foi analisada por meio da Teoria da Informação a partir de dois estudos de caso no
Brasil. No primeiro buscou-se caracterizar a variação nessa relação promovida por alterações
antrópicas ocorridas numa bacia hidrográfica inserida numa região de intenso desenvolvimento
agrícola (MATOPIBA). No segundo, a dinâmica da dependência foi avaliada com ênfase nos
extremos de variação observados no regime hidrológico numa bacia Amazônica (rio Acre),
tendo em vista a importância desse bioma para manutenção da dinâmica do clima. A variação
das medidas de informação permitiu evidenciar as alterações na dinâmica dos processos
hidrológicos no caso da região de MATOPIBA. Na bacia do rio Acre o padrão conflitante de
variação espacial exibido por essas medidas durante os períodos de cheia e seca analisados não
permite reconhecer alterações nessas dinâmicas e que, a princípio, a extensão das séries e a
complexidade do sistema justificam esse comportamento. O estudo levanta evidências acerca
da hipótese de que a quantificação da informação contida nas séries temporais e a análise de
sua transferência possa ser utilizada para identificação dos principais processos hidrológicos
atuantes na bacia, configurando uma abordagem promissora auxiliar à construção e validação
de estruturas conceituais adequadas à modelagem hidrológica.
Abstract
Watersheds, in a simplified way, can be interpreted as systems that transform incident rain into
flow through interacting processes. Ultimately, the flow series configures the product of these
interactions that process rainfall within the system. The spatial-temporal characteristics of the
input series and these physical interactions control the dependency relationship between rainfall
and flow. The information transferred from input to output is conditioned by physical attributes
and the constantly landscape changing. These factors, associated with fluctuations in time and
climate, summarize the complexity of representing it. For some time, hydrologists have sought
to characterize it with a view to its extrapolation and understanding of this relationship, its
complexity and spatial-temporal variability that, in principle, can occur through the
characterization of the information present in the rain series and which is effectively
transmitted/transformed into streamflow. In the present study, this dependency relationship was
analyzed using Information Theory based on two case studies in Brazil. In the first one, we
sought to characterize the variation in this relationship promoted by anthropic changes that
occurred in a hydrographic basin inserted in a region of intense agricultural development
(MATOPIBA). In the second, the dynamics of dependence was evaluated with emphasis on the
extremes of variation observed in the hydrological regime in an Amazon basin (River Acre), in
view of the importance of this biome for maintaining the dynamics of the climate. The variation
of the information measures made it possible to highlight the changes in the dynamics of
hydrological processes in the case of the MATOPIBA region. In the Acre river basin, the
conflicting pattern of spatial variation exhibited by these measurements during the analyzed
flood and dry periods does not allow us to recognize changes in these dynamics and that the
extension of the series and the complexity of the system justify this behavior. The study shows
evidence about the hypothesis that the quantification of the information contained in the time
series and the analysis of its transference can be used to identify the main hydrological
processes acting in the basin, configuring a promising approach to support the construction and
validation of adequate conceptual structures for hydrological models.
Assunto
Engenharia sanitária, Recursos hídricos - Desenvolvimento, Teoria da informação, Entropia, Hidrologia
Palavras-chave
Teoria de informação, Entropia, Relação chuva-vazão