Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/4464
Tipo: Tese
Título: Vegetation Hydrodynamics Applied to Vegetation Patch Growth, Transient Storage Zone and Water Treatment
Autor(es): Taís Natsumi Yamasaki
Primeiro orientador: Johannes Gerson Janzen
Resumo: A tese está organizada da seguinte forma. O Capítulo 1 é a Introdução, onde a motivação, questões da pesquisa e objetivos específicos da tese são descritos. No Capítulo 2, utilizamos experimentos de laboratório para estudar o crescimento de manchas de vegetação aquática. Estudos anteriores haviam mostrado que as manchas conseguem interagir de forma hidrodinâmica umas com as outras, gerando padrões de escoamento que se diferenciam do padrão para uma única mancha. Aqui, o crescimento da vegetação foi associado com regiões de maior deposição de sedimento. Duas manchas postas lado a lado foram construídas com arranjos de cilindros rígidos em um canal hidráulico, e as características do escoamento foram definidas de forma a imitar as condições encontradas em córregos de planície. Cada rodada de experimentos representou um ciclo de crescimento, no qual novos cilindros foram adicionados nas regiões de deposição elevada. A interação hidrodinâmica entre as manchas promoveu três novos caminhos para um potencial crescimento da vegetação: (1) aumento na deposição de sedimentos na linha de centro do par de manchas, a jusante da esteira estacionária de cada mancha, o que resultou na junção lateral das manchas; (2) aumento na distância longitudinal de deposição elevada, atrás de cada mancha do par, quando comparada com a deposição atrás de uma única mancha; e (3) deposição aumentada nas borda externa das manchas, indicando que elas conseguem se expandir lateralmente. No Capítulo 3, nós vamos da pesquisa básica para uma aplicação de engenharia de vegetação aquática. Oferecemos novas recomendações de design de wetlands flutuantes de tratamento (FTWs), demonstrando como o arranjo de FTWs pode ser usado para aumentar a capacidade dos FTWs em remover poluentes, melhorando assim a qualidade da água de um canal. Adicionalmente, exploramos como o comprimento das raízes impacta a eficiência de remoção. Dado que FTWs podem ser configurados em diferentes formatos, focamos em FTWs que se estendem ao longo da largura do canal, arranjando-os em série. Exploramos o tradeoff entre aumentar a distância entre FTWs, o que melhora a mistura do escoamento, elevando a concentração de poluentes e, portanto, o potencial de remoção para o próximo FTW em série, mas diminui o número de FTWs no canal; e vice-versa (reduzindo a distância entre FTWs para acomodar mais FTWs no canal, sob o custo de empobrecer a mistura do escoamento e a disponibilidade de poluentes entre FTWs). As simulações numéricas mostraram que aumentar a distância entre FTWs reduziu a remoção total de massa no sistema, mas aumentou a remoção por FTW. Também exploramos o caso de um FTW contínuo de mesmo volume de vários FTWs em série, a fim de avaliar a importância do espaçamento na melhora da mistura do escoamento entre FTWs e na remoção de massa. Sem espaçamentos, o FTW contínuo removeu menos massa devido à mistura ter sido menor. Por fim, no Capítulo 4 nós concluímos a tese e discutimos ideias para estudos potenciais que dela podem derivar.
Abstract: The thesis is organized as follows. Chapter 1 is the Introduction, where the motivation, research questions and specific objectives of the thesis are described. In Chapter 2, laboratory experiments were used to simulate the growth of aquatic vegetation patches. Previous studies have shown that patches can hydrodynamically interact with one another, causing flow patterns that differ from a single patch. Here, patch growth was associated with regions of enhanced sediment deposition. Two side-by-side patches were built with arrays of rigid cylinders in a hydraulic flume, and the flow characteristics were defined to mimic natural conditions found in lowland streams. Each experimental run represented a cycle of growth, in which new cylinders were placed in the regions of enhanced deposition. The hydrodynamic interaction between the patches promoted three new pathways for potential vegetation growth: (1) enhanced sediment deposition in the centerline of the patch pair, downstream of the steady wake of the patches, which resulted in lateral patch merger; (2) enhanced deposition over a longer streamwise distance behind each patch of the pair, when compared with deposition behind a single patch; and (3) enhanced deposition on the outer edge of the patches, indicating that they can expand laterally. In Chapter 3, we move from the basic research to an engineering application of aquatic vegetation. We provided new design recommendations for floating treatment wetlands (FTWs), demonstrating how FTW arrangement can be used in design to increase the FTWs ability in removing pollutants, thus improving the water quality of a channel reach. In addition, we explored how root length impacts removal efficiency. Given that FTWs can be configured in different shapes, we focused on FTWs spanning the channel width, arranging them in series. We explored the tradeoff between increasing the gap distance between FTWs, which improves flow mixing, elevating the pollutant concentration and thus potential removal for the next FTW in series, but decreases the number of FTWs in the channel; and vice-versa (i.e., reducing the gap distance to accommodate more FTWs in the channel, with the cost of having a poorer flow mixing and pollutant availability between FTWs). The numerical simulations showed that higher gap distances reduced the total mass removal in the system, but increased removal per FTW. We also explored the case of a continuous FTW with the same volume of several FTWs in series, in order to assess the importance of the gap in providing mixing that improves mass removal. Without gaps, the continuous FTW removed less mass due to lower mixing. Finally, in Chapter 4 we conclude the thesis and discuss ideas for potential studies that could derive from it.
Palavras-chave: Water Treatment
País: Brasil
Editor: Fundação Universidade Federal de Mato Grosso do Sul
Sigla da Instituição: UFMS
Tipo de acesso: Acesso Restrito
URI: https://repositorio.ufms.br/handle/123456789/4464
Data do documento: 2022
Aparece nas coleções:Programa de Pós-graduação em Tecnologias Ambientais

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