Principle of maximum entropy in the estimation of suspended sediment concentration

Abstract

The concern with water quality has been promoting development of better monitoring and control techniques every day. As sediments transport most of water contaminants, their study is fundamental. Given the large number of variables for estimating sediment concentration and high costs of monitoring campaigns, it becomes necessary to develop more accessible methods which bring satisfactory practical results. Therefore, this work deals with application of the principle of maximum entropy, a probabilistic method to determine concentration of sediments in river channels with various concentrations and particle sizes. For this purpose, it was proposed a relationship between the theory of entropy parameters in order to reduce the computational effort. The results were satisfactory at concentrations above 10 g/L with R2 greater than 0.88. The calculated squared errors in this study were lower than those found when using the theory of entropy by Tsallis and the equation of Rouse, classic models for determining the sediment concentration profile. The applicability of the proposed model and the ease of using the probabilistic method, since it reduces the amount of data needed to perform the estimate, makes it feasible on a global scale.

A preocupação com a qualidade das águas vem promovendo o desenvolvimento de técnicas cada dia melhores de monitoramento e controle. Como os sedimentos transportam a maior parte dos contaminantes da água, seu estudo é fundamental. Diante do elevado número de variáveis existentes para a estimativa da concentração de sedimentos e elevados custos de campanhas de monitoramento, torna-se necessário o desenvolvimento de métodos mais acessíveis e que tragam resultados práticos satisfatórios. Para tanto, este trabalho trata da aplicação do princípio da entropia máxima, um método probabilístico, para determinar a concentração de sedimentos em calhas com diversas concentrações e granulometrias. Para isso, foi proposta uma relação entre os parâmetros do princípio da entropia máxima para determinar o índice entrópico e facilitar o cálculo. Os resultados mostraram-se satisfatórios para concentrações acima de 10 g/L com R2 superiores a 0,88. Os erros quadráticos calculados neste trabalho foram inferiores aos encontrados quando utilizada a teoria da entropia por Tsallis e pela Equação de Rouse, modelos clássicos de estimativa do perfil de concentração de sedimentos. A aplicabilidade do modelo proposto e a facilidade da utilização do método probabilístico, já que reduz a quantidade de dados necessários para realizar a estimativa, torna-o viável em escala global.