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RBRH, Volume: 23, Published: 2018
  • Performance of bioretention experimental devices: contrasting laboratory and field scales through controlled experiments Scientific/technical Article

    Macedo, Marina Batalini de; Lago, César Ambrogi Ferreira do; Mendiondo, Eduardo Mario; Souza, Vladimir Caramori Borges de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Estudos da performance em laboratório possuem a vantagem de layouts flexíveis, podendo testar mais fatores. No entanto, nem sempre correspondem ao que acontece na escala real de aplicação. Este estudo foca em uma análise comparativa entre dispositivos experimentais de bioretenção em escala de campo e em escala de laboratório. A partir dessa comparação, é possível avançar na compreensão para extrapolação dos resultados. Como principais parâmetros de equivalência, foram utilizados a taxa de fluxo e a duração. No entanto, observou-se que estes parâmetros foram insuficientes para garantia de similaridade nos resultados. Indicamos como novos parâmetros a serem incorporados o volume de controle, taxa de aplicação e altura equivalente útil. Novos estudos com a variação destes parâmetros devem ser feitos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Studying the performance of LID devices on a laboratory scale has the advantage of flexible layouts, so that more factors can be tested. However, they do not always correspond to what happens on a real scale of application. This paper focuses on a comparative analysis between two bioretention experimental devices considering field and laboratory scales. Based on this comparison, our understanding can be enhanced to extrapolate the results. Flow rate and duration were used as the main equivalence parameters. However, these parameters were insufficient to ensure similarity in the results. We proposed to include control volume, an application rate and an equivalent net depth as new parameters. Further research should test the variation of these parameters.
  • Hydrodynamics of a tropical estuary: Buranhém River, Porto Seguro, Brazil Scientific/technical Article

    Silva, Ana Carolina Rodrigues de Sá; Bernardes, Marcos Eduardo Cordeiro; Assireu, Arcilan Trevenzoli; Siegle, Eduardo; Sousa, Paulo Henrique Gomes de Oliveira; Brown, Dustin

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Estuários são ambientes dinâmicos e altamente vulneráveis às influências antrópicas, em especial, nas áreas urbanas. Neste estudo, avalia-se pela primeira vez as características hidrodinâmicas do estuário do rio Buranhém (Nordeste do Brasil). Objetiva-se definir os mecanismos de transporte de sal e os padrões hidrodinâmicos e de estratificação desse estuário tropical, sob condições de maré de sizígia e quadratura. O trabalho de campo foi realizado durante 8 dias cobrindo uma variedade de condições de altura de maré (entre 30 de julho e 07 de agosto de 2015). A salinidade e a temperatura foram monitoradas continuamente na superfície e no fundo, enquanto o perfil de velocidade foi monitorado por um instrumento no fundo do canal. As velocidades médias foram de 0.46 m.s-1, durante a maré de enchente, e 1.0 m.s-1, durante a maré de vazante. As velocidades residuais foram no sentido de saída do estuário, com o domínio da vazante. O mecanismo de transporte de sal dominante foi difusão turbulenta. A maioria dos valores de número de Richardson por camada foi inferior a 2, indicando que o estuário é bem misturado, principalmente, durante a maré de sizígia. A estratificação varia de acordo com a condição da maré, com as marés de sizígia podendo haver uma maior misturar na estrutura vertical. Os gradientes de velocidade vertical que geram misturas verticais superam os efeitos estabilizadores gerados pelos gradientes de densidade vertical.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Estuaries are dynamic environments that are highly vulnerable to anthropogenic influences, especially when adjacent to urban areas. In this study it is assessed for the first time the hydrodynamic characteristics of the Buranhém estuary (Northeast Brazil). The aim is to define the salt transport mechanisms and the hydrodynamics and stratification patterns of this tropical estuary, under both spring and neap tidal conditions. Fieldwork was carried out during 8 days covering varying tidal range conditions (July 30th to August 7th, 2015). Salinity and temperature were continuously monitored at moored stations at both the surface and bottom, whereas velocity profile was sampled by a bottom-mounted instrument. Average velocity in the water column was 0.46 m.s-1 during flood tides and 1.0 m.s-1 during ebb tides. Residual currents were seaward, with ebb dominance. The dominant salt transport mechanism is turbulent diffusion. Most of the layer Richardson values did not exceed 2, indicating well mixed conditions mainly during spring tides. Stratification varies with tide condition, with spring tides being able to further mix the vertical structure. Vertical velocity gradients that generate vertical mixing overcome the stabilizing effects generated by vertical density gradients.
  • Analysis of the phytoplankton community emphasizing cyanobacteria in four cascade reservoirs system of the Iguazu River, Paraná, Brazil Scientific/technical Article

    Adloff, Clarisse Teixeira; Bem, Carla Cristina; Reichert, Gabriela; Azevedo, Júlio César Rodrigues de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Conhecer as alterações ecológicas em um reservatório é de grande relevância para estudos de impacto ambiental e avaliação de qualidade da água. Dentro desses estudos, o conhecimento da estrutura da comunidade fitoplanctônica é necessário, pois esta comunidade tem uma importância fundamental nos ecossistemas aquáticos, respondendo de forma rápida às mudanças físicas e químicas da água. O objetivo deste trabalho foi analisar a comunidade fitoplanctônica e a influência das variáveis abióticas, considerando o eixo longitudinal em quatro reservatórios de hidrelétricas em cascata do rio Iguazu, Paraná, Brasil, destacando a importância das cianobactérias. Foram amostrados quatro dos reservatórios de hidrelétricas do rio Iguazu: Foz do Areia, Salto Segredo, Salto Santiago e Salto Caxias. A contagem dos indivíduos foi realizada utilizando câmara de sedimentação tubular em microscópio invertido. Os resultados mostraram que os quatros reservatórios estão sujeitos a processos de eutrofização, apresentando intensas florações de cianobactérias, com dominância principalmente de Microcystis aeruginosa e Sphaerocavum brasiliense. Não houve gradiente longitudinal evidente relacionado ao fitoplâncton, como é esperado para reservatórios em sistema de cascata. A dominância de cianobactérias indica que o rio Iguazu está passando por um intenso processo de degradação ambiental, ameaçando a integridade das comunidades biológicas e causando sérios danos ao ecossistema como um todo.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Knowing the ecological changes in a reservoir is of great relevance to study environmental impacts and assess water quality. Among these studies, the knowledge about the structure of the phytoplankton community is essential, once they represent a fundamental component of aquatic ecosystems, responding immediately to physical and chemical alterations in water. The objective of this work was to analyze the phytoplankton community and the influence of abiotic factors, along the longitudinal axis in four cascade reservoirs system of the Iguazu River, Paraná, Brazil, emphasizing the importance of cyanobacteria. Foz do Areia, Salto Segredo, Salto Santiago and Salto Caxias reservoirs were the objects of this study. The phytoplankton counting was made tubular sedimentation chamber using an inverted microscope. The results showed that the four reservoirs are under eutrophication processes, presenting intense cyanobacteria blooms, dominated mainly by Microcystis aeruginosa and Sphaerocavum brasiliense. There was no evident longitudinal gradient related to phytoplankton, as expected for reservoirs in a cascade system. The dominance of cyanobacteria shows that the Iguazu River is undergoing an intense process of environmental degradation, threatening the integrity of biological communities and causing serious damage to the ecosystem as a whole.
  • Assessment of the potentiometric drawdown in the Guarani Aquifer System in Bauru/SP by a model of analytical elements Scientific/technical Article

    Boico, Vinicius Ferreira; Wendland, Edson; Batista, José Anderson do Nascimento

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os eventos de escassez hídrica observados nos últimos anos e o aumento populacional no Estado de São Paulo têm conduzido à maior explotação de água subterrânea do Sistema Aquífero Guarani (SAG) para abastecimento público. Somente no município de Bauru/SP, está previsto um aumento da vazão de água extraída deste Aquífero de 3699 m3/h (2014) para 4465 m3/h (2034). Entretanto, a superexplotação em longo prazo do Aquífero pode comprometer a quantidade de água disponível. O Método dos Elementos Analíticos foi utilizado para a modelagem do escoamento em regime permanente, considerando o escoamento regional, a extração de água por poços em Bauru/SP e os principais condicionantes geológicos locais. Observou-se que o gradiente hidráulico do SAG na cidade de Bauru era de aproximadamente 0,82 m/km. O rebaixamento potenciométrico no SAG em Bauru foi estimado em 50 m desde o início da explotação de água por poços. O rebaixamento estimado para as cidades vizinhas sob o cenário de extração de água do SAG em 2014, com relação ao cenário inicial (sem poços), é superior a 15 m em Piratininga e Agudos e inferior a 10 m nas cidades mais afastadas. Espera-se que o rebaixamento adicional devido ao cenário de 2034 com relação ao cenário de 2014 seja de até 15 m ao norte da cidade de Bauru, onde os novos poços estão sendo perfurados.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The recent drought events and the population growth in São Paulo State (Brazil) have caused many municipalities to increase the groundwater exploitation of the Guarani Aquifer System (GAS) for the public water supply. In Bauru City/SP, the extraction of water from this Aquifer is expected to increase from 3699 m3/h (2014) to 4465 m3/h (2034). However, its long-term overexploitation may compromise the amount of available groundwater. The Analytic Element Method was used for groundwater flow modeling at steady-state, which includes the regional flow, the water withdrawal from wells and the main local geological conditions. The hydraulic gradient 0.82 m/km was estimated in the GAS in Bauru City. The potentiometric drawdown in the GAS in Bauru was estimated as 50 m since the beginning of the groundwater exploitation. The drawdown for the groundwater pumping scenario in 2014 is higher than 15 m in Piratininga and Agudos and lower than 10 m in further cities. The expected drawdown for the scenario of 2034 can reach 15 m in comparison with the scenario of 2014, in the North of Bauru City, where the future wells will be located.
  • Detection of trends for extreme events of precipitation in the Metropolitan Region of Belo Horizonte through statistical methods Scientific/technical Article

    Nunes, Aline de Araújo; Pinto, Eber José de Andrade; Baptista, Márcio Benedito

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Eventos climáticos extremos são considerados uma das principais manifestações de mudança climática, sendo que a minimização dos impactos decorrentes passa pelo estudo da magnitude e frequência de suas ocorrências. Neste sentido, a presente pesquisa busca identificar tendências em eventos extremos de precipitação na Região Metropolitana de Belo Horizonte, à luz da crescente preocupação com o aumento de sua ocorrência na região. As tendências da precipitação foram estudadas, principalmente, por meio dos índices estabelecidos pela ETCCDMI, incluindo séries temporais do número anual de dias chuvosos acima de um certo limiar estabelecido, considerando quatorze estações pluviométricas. A fim de estimar o valor de precipitação limiar, que acarretaria potenciais impactos, foi realizada uma busca de alagamentos ocorridos na região, para que estes fossem associados aos dados de precipitação nos dias de sua ocorrência. A análise efetuada não permitiu a detecção de um padrão regional nos índices analisados, no entanto, a estação localizada em Belo Horizonte apresentou aumento dos eventos de precipitação diária iguais ou superiores a 10, 20, 30 e 40 mm, na precipitação acumulada em cinco dias consecutivos, na intensidade diária e no total anual precipitado. Foram também registradas mudanças abruptas nas séries de precipitação. Os resultados indicaram que Belo Horizonte pode ser impactada pelo aumento de chuvas extremas, fato que pode estar associado a mudanças identificadas nas séries de temperatura.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Extreme weather events have emerged as one of the main manifestations of climate change, being that the mitigation of the elapsed impacts demand studies of the magnitude and frequency of their occurrence. This study aims to identify the trends of extreme precipitation events in the Metropolitan Region of Belo Horizonte, especially concerning their frequency. The trends of precipitation were studied with especial regard to the indices set by ETCCDMI (Expert Team on Climate Change Detection Monitoring and Indices), including time series of annual number of rainy days above a certain threshold recorded at fourteen rainfall gauging stations. One stage of this study consisted in surveying the flood occurrence in the area, besides analyzing the precipitation data corresponding to date of flood occurrences, in order to establish a threshold value beyond which an event would entail potential impacts. No regional index pattern could be set based on such results, although the rainfall station located in the city of Belo Horizonte reported a statistically significant increase in daily precipitation events above 10, 20, 30 and 40 mm, in maximum precipitation recorded over five consecutive days, in daily intensity, and in total annual precipitation. Abrupt changes in rainfall series were also recorded. The results have indicated that the city may be potentially impacted by extreme rainfall increase, probably associated to changes in temperatures on regional and local scales.
  • Comparison of numerical schemes of river flood routing with an inertial approximation of the Saint Venant equations Scientific/technical Article

    Fassoni-Andrade, Alice César; Fan, Fernando Mainardi; Collischonn, Walter; Fassoni, Artur César; Paiva, Rodrigo Cauduro Dias de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O modelo inercial unidimensional de propagação de vazão, formulado através de uma solução explícita, possui resultados comparáveis aos modelos que consideram as equações completas de Saint-Venant. A principal vantagem é a simplicidade na formulação com bons resultados. No entanto, o modelo inercial está restrito à um passo de tempo pequeno para evitar instabilidade numérica. Este trabalho propõe seis esquemas numéricos que modificam o modelo inercial unidimensional buscando aumentar a estabilidade numérica da solução. O desempenho dos esquemas numéricos propostos foi comparado em quatro situações de declividade do rio (normal, baixa, alta e muito alta) e em duas situações onde o rio está sujeito ao efeito de jusante (remanso e maré). O modelo hidrodinâmico HEC-RAS foi utilizado para validação das soluções. Os resultados são discutidos em termos de estabilidade, vazão de pico, tempo de processamento, erro de conservação de volume e raiz do erro médio quadrático da vazão (Root Mean Square Error – RMSE). De forma geral os esquemas mostraram melhora relativa a cada tipo de aplicação. Em particular, o esquema numérico aqui denominado Prog Q(k+1)xQ(k+1) se destacou apresentando vantagens com maior estabilidade numérica em relação ao esquema original. Porém este esquema não foi bem sucedido na situação de simulação com maré. Além disso, observou-se que a inclusão do cálculo do raio hidráulico sem simplificação nos esquemas numéricos melhorou os resultados sem aumentar o tempo computacional.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The one-dimensional flow routing inertial model, formulated as an explicit solution, has advantages over other explicit models used in hydrological models that simplify the Saint-Venant equations. The main advantage is a simple formulation with good results. However, the inertial model is restricted to a small time step to avoid numerical instability. This paper proposes six numerical schemes that modify the one-dimensional inertial model in order to increase the numerical stability of the solution. The proposed numerical schemes were compared to the original scheme in four situations of river’s slope (normal, low, high and very high) and in two situations where the river is subject to downstream effects (dam backwater and tides). The results are discussed in terms of stability, peak flow, processing time, volume conservation error and RMSE (Root Mean Square Error). In general, the schemes showed improvement relative to each type of application. In particular, the numerical scheme here called Prog Q(k+1)xQ(k+1) stood out presenting advantages with greater numerical stability in relation to the original scheme. However, this scheme was not successful in the tide simulation situation. In addition, it was observed that the inclusion of the hydraulic radius calculation without simplification in the numerical schemes improved the results without increasing the computational time.
  • Precipitation anomalies in the Brazilian southern coast related to the SAM and ENSO climate variability modes Scientific/technical Article

    Schossler, Venisse; Simões, Jefferson Cardia; Aquino, Francisco Eliseu; Viana, Denilson Ribeiro

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O padrão de precipitação do estado do Rio Grande do Sul (RS) esta mudando, indicando aumento, ainda que se observe longos períodos de seca. Diversos estudos apontam influencia de modos de variabilidade climática na precipitação do RS. Este trabalho analisa a influência do Modo Anular do Hemisfério Sul (SAM) e do El Niño – Oscilação Sul (ENOS), nas anomalias de precipitação (PP) da Planície Costeira do Rio Grande do Sul (PCRGS), a dividindo em três regiões: sul, central e norte. Tabelas de contingência foram utilizadas para correlacionar os índices, os classificando como neutros, abaixo ou acima da média. Para significância estatística utilizamos o percentual corretamente classificado, com o qual se aplicou o teste t de Student para cada região. As PP da PCRGS e da costa sul possuem correlação com o ENOS e SAM; a central apenas com o SAM. As PP do norte não são correlacionadas há nenhum dos dois indices. Períodos com mais de 5 meses de PP, SAM e ENOS anômalos foram identificados. Eventos abaixo da média foram maioria. Os resultados indicam maior influência SAM+ e La Niña. A tendência ao SAM+ e intensificação do ENOS, poderá aumentar a frequência de secas na PCRGS. Além disso, foi possível interpretar que as diferenças geográficas da PCRGS podem influenciar nos resultados dos totais de precipitação. Este trabalho contribui para a compreensão dos efeitos das novas tendências da variabilidade climática sob aspecto regional e geográfico.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The precipitation pattern of the State of Rio Grande do Sul (RS) is changing, indicating an increase, although there are long periods of drought. Several studies indicate the influence of climate variability modes on RS precipitation. This work analyzes the influence of the Southern Annular Mode (SAM) and the El Niño - Southern Oscillation (ENSO) on precipitation anomalies (PP) of the Rio Grande do Sul Coastal Plain (RGSCP), dividing it into three regions: south, central and north. Contingency tables were used to correlate the indices, classifying them as neutral, below ou above the mean. To statistical significance we used percentage correctly classified with which the Student’s t was aplied for each region. The PP of the RGSCP and the south coast have correlation with the ENSO and SAM; the central only with SAM. The PP of the north is not correlated to either index. Periods with more than 5 months of PP, SAM and ENSO anomalies were identified. Below average events were majority. The results indicate greater influence of SAM + and La Niña. The trend towards SAM+ and intensification of ENSO, could increase the frequency of droughts in RGSCP. In addition, it was possible to interpret that the geographical differences of the RGSCP can influence the results of precipitation totals. This work contributes to the understanding of the effects of the new trends of climatic variability under regional and geographical aspects.
  • Reaeration and oxygen dissipation into a circular hydraulic channel: experimental and dimensionless approach Scientific/technical Article

    Harano, Felipe Keiji Feital; Ferreira, Murilo de Souza; Mateus, Marcos Vinícius; Ferreira, Deusmaque Carneiro; Gonçalves, Julio Cesar de Souza Inácio

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O oxigênio dissolvido (OD) é um dos principais parâmetros de qualidade da água. O equilíbrio da concentração de OD em um corpo d´água pode ser alterado por fenômenos interfaciais como a reaeração e a dissipação de oxigênio, os quais podem ser representados pelos coeficientes K2 e KD, respectivamente. Poucos estudos correlacionaram conjuntamente K2 e KD a parâmetros físicos e hidráulicos do escoamento. Este trabalho investigou o comportamento desses coeficientes em diferentes condições hidráulicas do escoamento, bem como desenvolveu equações semi-empíricas capazes de relacionar ambos coeficientes. Os testes de reaeração e de dissipação foram conduzidos em um canal hidráulico circular com velocidade do escoamento variando de 0,20 a 0,79 m.s-1 e a profundidade de 0,09 a 0,15 m. As estimativas de K2 e KD foram realizadas com o uso do método da regressão não linear. As equações semi-empíricas foram obtidas com base na análise dimensional clássica e na análise de regressão exponencial multiparamétrica. A comparação entre os coeficientes medidos e estimados produziu coeficientes de determinação (R2) para a dissipação e reaeração de 0,940 e 0,844, respectivamente. KD foi maior do que K2 para todos os níveis de turbulência utilizados no canal hidráulico. Uma estimativa obtida pela relação entre as equações semi-empíricas indica que a transferência de oxigênio no sentido água-ar (dissipação) é aproximadamente duas vezes mais rápida do que a transferência no sentido ar-água (reaeração).

    Abstract in English:

    ABSTRACT Dissolved oxygen (DO) is a key parameter in water quality. The DO concentration in a water body can be changed by interfacial phenomena such as reaeration and oxygen dissipation, which can be represented by the coefficients K2 and KD, respectively. Few studies have jointly correlated K2 and KD with physical and hydraulic parameters of the channel. The present work investigated the behavior of these coefficients over a range of hydraulic conditions, and developed semi-empirical equations capable of relating both coefficients. Reaeration and DO dissipation tests were conducted in a circular hydraulic channel with flow velocity ranging from 0.20 to 0.79 m.s-1 and depth ranging from 0.09 to 0.15 m. Estimates of K2 and KD were performed using the non-linear regression method. Semi-empirical equations were obtained based on classical dimensional analysis and multiple regression analysis. The comparison between measured and estimated coefficients yielded R2 for reaeration and dissipation of 0.940 and 0.844, respectively. KD was higher than K2 for all turbulence levels applied at the hydraulic channel. An estimate obtained by the relation between the semi-empirical equations indicates that the transfer of oxygen in the water-air direction (dissipation) is approximately twice as fast as the transfer in the air-water direction (reaeration).
  • Characterization of the Capibaribe River Dry Bed with Ground Penetrating Radar (GPR) Scientific/technical Article

    Brito, Gracieli Louise Monteiro; Coutinho, Artur Paiva; Cabral, Jaime Joaquim da Silva Pereira; Santos Neto, Severino Martins dos; Antonino, Antonio Celso Dantas; Cirilo, José Almir; Braga, Ricardo Augusto Pessoa; Silva Filho, Severino Lopes da

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Para um estudo hidrogeológico adequado de camadas de aluvião no semiárido é importante conhecer bem sua geometria e suas propriedades. As formações aluviais são geralmente constituídas por processos de erosão, transporte e sedimentação, causando considerável heterogeneidade nos parâmetros hidráulicos do solo e no fluxo de água. A presente pesquisa teve como objetivo realizar uma caracterização geofísica através do Radar de Penetração no Solo – GPR no leito seco do rio Capibaribe. As mudanças nas camadas no conteúdo de água, granulometria, tipo de sedimento e orientação das camadas, o lençol freático, as estruturas sedimentares e os contatos litológicos tendem ser identificados, o que torna o método eficaz para investigação hidrogeológica. A área de estudo compreende as aluviões do leito seco do alto Capibaribe no município de Santa Cruz do Capibaribe. Os resultados mostraram que o GPR foi eficiente no imageamento da subsuperficie contribuindo para o conhecimento da geometria e da estratigrafia do aquífero do leito. No leito seco do rio, com antena de 400 MHz o sinal atingiu profundidade de 2,65 m e com antena de 200 MHz o sinal atingiu 6,00 m. A franja capilar foi identificada na profundidade de 3,0 m com o uso das antenas de 200MHz e 400MHz.

    Abstract in English:

    ABSTRACT For an adequate hydrogeological study of alluvial layers in the semi-arid zone, it is important to know well its geometry and its hydraulics characteristics. Alluvial formations are generally constituted by erosion, transport and sedimentation processes, causing considerable heterogeneity in soil hydraulic parameters and water flow. The present research had as objective to perform a geophysical characterization using the Ground Penetrating Radar – GPR in the dry bed of the Capibaribe river. To the extent that depositional layers exhibit changes in water content, granularity, sediment type and layer orientation, the water table as well as sedimentary structures and lithological contacts tend to be identified, making the method effective for hydrogeology research. The study area comprises alluvial dry river bed of upper Capibaribe river in the municipality of Santa Cruz do Capibaribe. The results showed that GPR was efficient in the imaging of the subsurface contributing to the knowledge of the geometry and the stratigraphy of the aquifer of the dry bed of the river. In the dry bed of the river, with 400 MHz antenna the signal reached a depth of 2.65 m, and with the antenna of 200 MHz, the signal reached a depth of 6.00 m. The capillary fringe was identified at a depth of 3.0m with the use of 200MHz and 400MHz antennas.
  • Analysis of the longitudinal distribution of pressures near the ends of the vertical and horizontal faces in stepped spillway of slope 1V: 0.75H Scientific/technical Article

    Osmar, Fabrício Machado; Canellas, Alba Valéria Brandão; Priebe, Priscila dos Santos; Saraiva, Lorena Silva; Teixeira, Eder Daniel; Marques, Marcelo Giulian

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Vertedouros em degraus vem sendo muito utilizados para escoamento de cheias devido às suas vantagens construtivas e em relação à dissipação de energia durante a queda, possibilitando que as estruturas de dissipação a jusante possam ser projetadas em menores dimensões. Devido a necessidade de estudos mais aprofundados sobre a ação do escoamento na calha de vertedouros em degraus e a análise dos adimensionais utilizados para caracterizar a distribuição longitudinal das pressões atuantes nas faces dos degraus de um vertedouro, o presente estudo objetiva a caracterização dos esforços atuantes nos degraus dos referidos vertedouros. Foram realizadas análises sobre um modelo físicos de vertedouro com declividade de 1V:0,75H e degraus de 6 centímetros de altura. Os campos de pressões nos degraus foram analisados e comparados com os resultados disponíveis na bibliografia. Como constatação geral sobre as pressões nos espelhos verificou-se que os esforços de tração e compressão têm magnitudes relativamente semelhantes, sendo mais intensas as pressões negativas. Sobre as pressões máximas nos patamares, destaca-se que os valores máximos de compressão ocorreram no final da calha, percebendo-se que as menores vazões geraram maiores valores de coeficientes de pressões.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Stepped spillways have been widely used for flood runoff due to of their constructive advantages and in regards to energy dissipation during the drop, allowing downstream dissipation structures to be designed in smaller dimensions. Due to the need for further studies on the effect of runoff in the chute of the stepped spillway and the analysis of dimensionless numbers used to characterize the longitudinal distribution of the pressures acting on the faces of the steps of a spillway, this study aims to characterize the acting forces on the steps of said spillways. Analyses were performed on a physical model of spillway with a slope of 1V: 0.75H and steps with a height of 6 centimeters. The pressure fields on the steps were analyzed and compared with results found in literature. As a general finding concerning the pressure in the horizontal faces, it was ascertained that the traction and the compression loads have relatively similar magnitudes, the negative pressures being more intense. Regarding the maximum pressures at the horizontal faces of the steps, it should be emphasized that the maximum values of compression have occurred at the end of the chute and that the lower discharges yielded higher values of pressure coefficients.
  • Reduction of the erosive effects of effluent jets from spillways by contractions in the flow Scientific/technical Article

    Lara, Rafael de; Ota, José Junji; Fabiani, André Luiz Tonso

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Flaring Piers e Slit Buckets são estruturas que propiciam melhorar o processo de dissipação de energia e que vem sendo implantadas em vertedouros de barragens chinesas há pelo menos quatro décadas. Trata-se basicamente da implantação de estreitamentos na passagem do escoamento pelo vertedouro que promovem alterações no jato efluente, reduzindo seu potencial erosivo. No entanto, a bibliografia disponível sobre o assunto é bastante restrita e os benefícios são divulgados de forma apenas qualitativa. Visando aprofundar o conhecimento sobre o desempenho dessas estruturas, foi realizado um programa de ensaios em modelo reduzido utilizando um vertedouro projetado originalmente com salto de esqui convencional. Os resultados indicam existir uma correlação entre o ângulo de deflexão dos paramentos que estreitam a calha e a profundidade da fossa de erosão formada a jusante. Uma das alternativas ensaiadas teve profundidade máxima de erosão 60% menor do que aquela gerada pelo vertedouro sem o dispositivo, indicando que podem ser soluções promissoras.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Flaring Piers and Slit Buckets are structures that can improve the process of energy dissipation and have been implanted in Chinese spillways for at least four decades. These structures basically narrow the passages of the outflow through the spillway, promoting changes in the effluent jets, reducing their erosion potential. However, the literature available on the subject is very limited, and the benefits are disseminated only qualitatively. In order to learn more about how these structures perform, a test program on a hydraulic model was carried out, using a spillway originally designed with a conventional ski jump. The results indicate that there is a correlation between the angle of deflection of the walls that narrow the chute and the depth of the scour hole formed downstream. One of the alternative tests had scour depth 60% smaller than that generated by the spillway without the device, indicating that they can be promising solutions.
  • Can chlorophyll-a in meso-oligotrophic shallow waters be estimated using statistical approaches and empirical models from MODIS imagery? Scientific/technical Article

    Munar, Andres Mauricio; Cavalcanti, José Rafael; Bravo, Juan Martin; Marques, David Manuel Lelinho Da Motta; Fragoso Júnior, Carlos Ruberto

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A estimativa da concentração de Clorofila–a (Chl-a) em ambientes aquáticos através de técnicas de sensoriamento remoto é complexa devido as diferenças entre as propriedades óticas da água. O objetivo deste trabalho foi estimar concentrações de Chl-a a partir das combinações de bandas espectrais do sensor MODIS, aplicando análise de regressão linear múltipla (MLR), redes neurais artificiais (ANN), regressão multiplicativa não paramétrica e quatro modelos (Appel, Kahru, FAI e O14a). Os modelos de regressão linear múltipla (MLR), NPMR e ANN foram calibrados e validados utilizando medições in-situ de Clorofila–a. Os resultados demostraram que um simples e eficiente modelo desenvolvido e validado através de regressão linear múltipla (MLR) produz vantagens (i.e., melhor performance e poucas variáveis de entrada) em comparação com os modelos ANN, NPMR e quatro modelos (Appel, Kahru, FAI e O14a). Além disso, foi observado que em um grande lago raso subtropical, no qual o vento (intensidade e direção) e a hidrodinâmica são fatores essenciais na heterogeneidade espacial (distribuição de Chl-a), o modelo MLR desenvolvido utilizando um ponto específico do lago teve melhor performance que utilizando o total de dados, sugerindo que não seria apropriado generalizar um único modelo para estimar Clorofila– a nesses grandes lagos rasos utilizando o total de dados. Esta abordagem é uma ferramenta útil para estimar concentrações de Chl- a em ambientes rasos meso – oligotróficos e corroborar a heterogeneidade espacial desses ecossistemas.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Accurate estimation of chlorophyll-a (Chl-a) concentration in inland waters through remote-sensing techniques is complicated by local differences in the optical properties of water. In this study, we applied multiple linear regression (MLR), artificial neural network (ANN), nonparametric multiplicative regression (NPMR) and four models (Appel, Kahru, FAI and O14a) to estimate the Chl -a concentration from combinations of spectral bands from the MODIS sensor. The MLR, NPMR and ANN models were calibrated and validated using in-situ Chl -a measurements. The results showed that a simple and efficient model, developed and validated through multiple linear regression analysis, offered advantages (i.e., better performance and fewer input variables) in comparison with ANN, NPMR and four models (Appel, Kahru, FAI and O14a). In addition, we observed that in a large shallow subtropical lake, where the wind and hydrodynamics are essential factors in the spatial heterogeneity (Chl-a distribution), the MLR model adjusted using the specific point dataset, performed better than using the total dataset, which suggest that would not be appropriate to generalize a single model to estimate Chl-a in these large shallow lakes from total datasets. Our approach is a useful tool to estimate Chl -a concentration in meso-oligotrophic shallow waters and corroborates the spatial heterogeneity in these ecosystems.
  • Comparison the monitoring data of an on-site stormwater detention (OSD) and the results in the use of theoretical methods for its design Scientific/technical Article

    Drumond, Pedro de Paula; Moura, Priscilla Macedo; Coelho, Márcia Maria Lara Pinto

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os microrreservatórios vêm sendo implantados nas grandes cidades brasileiras como forma de reduzir o impacto provocado pela urbanização no sistema de drenagem. Todavia, existem poucos estudos que avaliaram sua eficiência em escala real. Este artigo teve como objetivo comparar os dados de monitoramento de um microrreservatório implantado em um empreendimento hospitalar de Belo Horizonte, com os resultados determinados por meio de métodos teóricos, usualmente utilizados no dimensionamento dessa estrutura. No interior do microrreservatório foi instalado um sensor de nível para realizar as medições das alturas d’água durante os eventos de precipitação, sendo os dados registrados a cada 30 segundos durante o período de abril de 2015 a março de 2017. Analisou-se o enchimento do microrreservatório durante a ocorrência de 48 eventos de precipitação. Na comparação dos resultados das alturas máximas do nível d’água no interior da estrutura, verificou-se que, de maneira geral, os valores monitorados foram superiores aos teóricos e que os resultados obtidos com o método Racional foram mais próximos aos monitorados do que os obtidos com o método HUT-SCS. Verificou-se ainda que os tempos de pico e recessão dos linigramas calculados com o método Racional representaram melhor o linigrama monitorado.

    Abstract in English:

    ABSTRACT On-site stormwater detention – OSD has been constructed in big Brazilian cities, as a way to reduce the impact of urbanization on the drainage system. However, there are a few studies about its efficiency in real scale. This article aims to compare the monitoring data of an OSD built in a hospital in Belo Horizonte and the results determined by theoretical methods, commonly used in the design of this structure. Inside the OSD was installed a level sensor to monitor water level during rain events. The data was recorded on a data logger every 30 seconds during the period April 2015 to March 2017. It was analyzed the OSD filling during the occurrence of 48 precipitation events. In the maximum heights of water level comparison, it was found that the monitored values were higher than theoretical values and the results using Rational Method were closer to monitoring data than the results with SCS-HU Method. It was also found that the peak and recession time calculated with Rational Method represented better the water levels monitored.
  • Relationships between rainfall and throughfall in a secondary forest in southeastern Brazil: an evaluation of different statistical models Scientific/technical Article

    Lima, Raul Sampaio de; Bourscheidt, Vandoir; Tanaka, Marcel Okamoto

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A precipitação interna (PI) é influenciada por diferentes condições meteorológicas, que, ao interagirem entre si e com a vegetação, podem resultar em elevada variabilidade espacial e temporal. Este estudo teve como objetivo avaliar a influência da precipitação em aberto (PA) sobre a PI, assim como descrever o comportamento dessas variáveis em uma área de vegetação com predominância de Pinus elliottii no sudeste brasileiro, explorando diferentes modelos estatísticos propostos na literatura. Para isto, foram registrados dados de PA e PI em 24 eventos de chuva por 180 pluviômetros distribuídos em seis parcelas de 10 x 10 m. Os resultados indicam influência significativa do volume de PA sobre as variáveis resposta [volume de PI (PImm), fração de PI (PI%) e coeficiente de variação da PI (CVPI )]. Enquanto o modelo linear apresentou o melhor ajuste para PImm, os modelos não-lineares tiveram melhores ajustes para PI% e CVPI em função de PA, permitindo identificar comportamentos distintos para diferentes volumes de chuva. De forma geral, verificou-se que a PA é a principal fonte de variação nas estimativas de PI na área de estudo. No entanto, destaca-se que outras variáveis podem estar atuando simultaneamente sobre a PI% e CVPI, nas quais 45,4 e 38,1%, respectivamente, da variação permanecem inexplicados, demandando estudos complementares para identificar e quantificar a influência de outros fatores.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Throughfall (TF) is influenced by different meteorological conditions, which can result in high spatial and temporal variability, when interacting with vegetation and mutually with each other. This study aimed to evaluate rainfall (RF) influence on TF, as well as to describe the behavior of these variables in an area dominated by Pinus elliottii in southeastern Brazil, by exploring different statistical models proposed in the literature. For this, RF and TF data were recorded in 24 rainfall events by 180 gauges distributed in six 10 x 10 m plots. The results indicate a significant influence of RF volume on response variables [TF volume (TFmm), TF fraction (TF%) and coefficient of variation of TF (CVTF)]. While the linear model presented the best fit for TFmm , the non-linear models had better results for TF% and CVTF as a function of RF, allowing the identification of distinct behaviors for different RF volumes. In general, it was verified that RF is the main source of variability in TF estimates in the study area. However, it should be noted that other variables may be acting simultaneously on TF% and CVTF, in which 45.4 and 38.1% of the variation, respectively, remain unexplained, requiring complementary studies to identify and quantify the influence of other factors.
  • Proposal of rainwater harvesting coefficient (RWHC) for determination of effectively usable rainfall depth, relevant to rainwater harvesting systems design Scientific/technical Article

    Corrêa, Jairo dos Passos; Fernandes, Lindemberg Lima; Blanco, Cláudio José Cavalcante; Neves, Raisa Rodrigues

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O estudo avalia dados de precipitação para determinação de coeficiente de aproveitamento de água da chuva aplicável a projetos de captação e aproveitamento pluvial, com auxílio de testes estatísticos não paramétricos, partindo do pressuposto de que uma parte das lâminas de chuva precipitada é descartada. A análise da série histórica pluviográfica de lâminas de chuva mostrou que Belém apresenta grande potencial para aproveitamento de água de chuva, sendo identificados dois períodos, mais e menos chuvoso, no ano e os resultados apresentaram em média um evento de chuva por dia. Os dados são de janeiro de 2001 a dezembro de 2011, nos quais aproximadamente 38% são utilizados apenas para lavagem do sistema de captação. O teste de Anderson-Darling revelou a não aderência das séries de chuva a uma distribuição normal e segundo o teste Mann-Kendall não houve tendência significativa nas séries avaliadas. Após o cálculo das chuvas efetivamente aproveitáveis, da determinação dos coeficientes, e da aplicação do teste de normalidade Anderson-Darling e do teste de variância de Kruskal-Wallis, foi proposto um coeficiente de aproveitamento de água de chuva com módulo 0,78.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The study measures rainfall data to determine a rainwater harvesting coefficient revelant to rainwater harvesting and catchment projects assisted by non-parametric statistics tests, based on assumption that part of the total rainfall depth is discarded. The analyses of historical rainfall series shows that the city of Belem presents large potential to promote rainwater harvesting, with a rainy season and a less rainy season during the year. The results present an average of one rainfall event per day, from January 2001 to December 2011, and of which around 38% is used only for washing the rainwater harvesting system. The Anderson-Darling test revealed a non-adherence of the rainfall series to a normal distribution and according to the Mann-Kendall test, there was no significant trend in the evaluated series. After the calculation of the effective rainfall, determination of coefficients, application of the Anderson-Darling normality test and the Kruskal-Wallis variance test, it was proposed a rainwater harvesting coefficient of 0.78 for the city of Belém, Brasil.
  • Experimental and numerical investigation of flow patterns in shallow rectangular reservoirs with symmetrically positioned inlet and outlet channels Scientific/technical Article

    Miranda, Daniel Augusto de; Reis, Álefe Marques dos; Coelho, Márcia Maria Lara Pinto

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Escoamentos rasos correspondem a fluxos turbulentos cujas dimensões horizontais são consideravelmente maiores que a dimensão vertical. Em Engenharia Hidráulica, referem-se, por exemplo, a bacias de detenção, lagoas de estabilização para tratamento de efluentes e tanques de aquicultura. Por envolverem baixas velocidades de escoamento, tais tipos de reservatórios rasos são frequentemente afetados por contínuo processo de sedimentação. Destaca-se, com isso, a importância em se ampliar o conhecimento acerca da influência de sua geometria sobre o comportamento hidrodinâmico e sobre a tendência de decantação de sólidos. O objetivo desse artigo consiste em analisar os padrões de escoamento para um reservatório retangular com canais de montante e de jusante simetricamente posicionados, levando-se em conta três diferentes vazões em regime permanente (0,50, 1,25 e 3,40 L/s). Para tanto, realizaram-se experimentos em um protótipo de laboratório, consistindo em um tanque com 3,0 m de comprimento, 2,0 m de largura e profundidade máxima de 0,30 m. Utilizou-se também o programa computacional WOLF 2D para modelagem numérica de todas as variantes. Do ponto de vista experimental, notou-se um comportamento hidrodinâmico simétrico unicamente para a menor vazão, ao passo que o padrão de escoamento foi assimétrico para as demais. Por outro lado, o modelo numérico indicou simetria hidrodinâmica para todos os cenários.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Shallow flows correspond to turbulent flows whose horizontal dimensions are considerably larger than the vertical one. In Hydraulic Engineering, they refer, e.g., to stormwater basins, stabilization ponds for wastewater treatment and aquaculture tanks. Since they involve low flow velocities, a continuous settling process often affects such shallow reservoirs. Therefore, it is important to expand the knowledge about the influence of its geometry on the hydrodynamic behavior and the sedimentation tendency. This paper aims to analyze flow patterns in a rectangular reservoir with symmetrically positioned upstream and downstream channels, taking into account three different flow rates under steady flow regime (0.50, 1.25 and 3.40 L/s). Experimental tests were performed in a laboratory prototype, consisted of a 3.0 m long and 2.0 m wide reservoir, with a maximum depth of 0.30 m. Also, it was applied the WOLF 2D software for numerical modeling of all variants. Experimentally, a symmetrical hydrodynamic behavior was observed only for the lowest flow rate, while the flow pattern was asymmetrical for the other cases. On the other hand, the numerical model indicated hydrodynamic symmetry for all scenarios.
  • Gauging flow velocity in 2 positions for discharge calculation in pipes Scientific/technical Article

    Diniz, Victor Emanuel Mello de Guimarães; Luvizotto Júnior, Edevar; Souza, Podalyro Amaral de; Silva, Pedro Alves

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Este artigo usa o modelo de entropia máxima para calcular vazões em tubos. O modelo de entropia máxima requer que as velocidades de escoamento sejam medidas em apenas dois pontos ao longo do raio do tubo para que a vazão seja calculada em qualquer tubo com seção transversal circular, independentemente do tamanho do diâmetro. Um algoritmo genético foi utilizado para determinar os dois parâmetros da equação entropia máxima para escoamento forçado. Três adutoras foram analisadas. Os valores das vazões obtidos pelo modelo de entropia máxima acoplado ao algoritmo genético para duas adutoras foram comparados com os valores obtidos por um medidor de vazão eletromagnético calibrado (AquaProbe ABB) e ficaram dentro da precisão do aparelho (± 2%), conforme informado pelo fabricante. Um tubo de Pitot tipo Cole instalado em série com um tubo Venturi foram usados ​​para definir, respectivamente, três diferentes perfis de velocidade e medir três diferentes vazões para a terceira adutora. Os três valores de vazão obtidos pelo modelo de entropia máxima foram comparadas com os valores obtidos pelo tubo Venturi e ficaram dentro das incertezas apresentadas (3,3%, 3,1% e 2,8%) para cada valor de vazão obtido pelo tubo Venturi. O método apresentado facilita o cálculo da descarga em qualquer tubo.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This paper utilizes the maximum entropy model to calculate discharges in pipes. The proposed model requires the flow velocities to be gauged in just two positions along the pipe radius to calculate the discharge of any given pipe with circular cross-section regardless its diameter size. A genetic algorithm is used to determine the two parameters of the entropy equation for pipe flow. Three water mains are assessed. The discharge values achieved by the maximum entropy model coupled to the genetic algorithm for two water mains are compared to those achieved by a calibrated AquaProbe ABB electromagnetic flow meter and remain within the device accuracy (± 2%), as reported by its manufacturer. A Cole type Pitot tube in series with a Venturi tube are used to respectively define three velocity profiles and gauge three different discharges for the third water main. The three discharge values obtained by the maximum entropy model are compared to the ones obtained by the Venturi tube and remain within the presented uncertainties (3.3%, 3.1% and 2.8%) for each discharge gauged by the Venturi tube. The discharge calculation in any given pipe is facilitated by the presented method.
  • Dynamics of metals in lacustrine sediments: case study of the Madeira River, Amazon region Scientific/technical Article

    Carvalho, Dario Pires de; Almeida, Ronaldo de; Manzatto, Ângelo Gilberto; Freitas, Osvaldino Brito de; Bastos, Wanderley Rodrigues

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os estudos sobre metais no canal principal do Rio Madeira demostram alta variabilidade nas concentrações dos elementos Co, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb e Zn. No entanto, a dinâmica da transferência destes metais da calha central do rio, que possui características físicas e químicas distintas às dos lagos, permanece não compreendida. O objetivo deste estudo foi discutir como a transferência de metais do Rio Madeira influencia a dinâmica espacial destes metais no sedimento de fundo do Lago Puruzinho (AM). A análise de componentes principais mostrou as diferenças na ordenação dos dados, gerando duas zonas de distribuição de metais. As concentrações médias de Co, Cu, Cr, Mn e Fe são superiores na região do lago sob influência dos sólidos em suspensão provenientes do Rio Madeira. A zonação de metais em lagos é estruturada pelas forças que atuam transversalmente ao curso do rio no momento da inundação das planícies, formando zonas de ecótonos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The studies on metals in Madeira River’s principal flow show high variability of Co, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb and Zn concentrations. However, the transfer of these metals from the main river channel, whose physical and chemical characteristics differ from those of lakes, has not been fully characterized. The objective of this study was to discuss how the transfer of Madeira River’s metals changes the spatial dynamics of these metals in sediments of the Puruzinho Lake (AM). The principal component analysis pointed to differences in the order of the data, creating two distribution zones of metals. The average concentrations of Co, Cu, Cr, Mn and Fe are higher in the area under the influence of the suspended solids coming from the Madeira River. The zoning of metals in lakes is structured by the forces acting across the river’s course at the same time as plains flood and generates ecotones.
  • Frequency analysis of minimum flows Scientific/technical Article

    Granemann, Adelita Ramaiana Bennemann; Mine, Miriam Rita Moro; Kaviski, Eloy

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O estudo de vazões mínimas torna-se cada vez mais importante devido à relação com a sustentabilidade de ecossistemas, da economia e como sentinela das mudanças climáticas. O objetivo deste artigo é contribuir para o tratamento teórico sobre extremos mínimos e, especificamente, vazões mínimas. O método divide-se em duas abordagens: i) convencional; ii) assintótica. Na análise convencional foram ajustadas as distribuições de Weibull (W2) e Lognormal de dois parâmetros (LN2) às séries de vazões mínimas anuais e mínimas médias de 7 dias. Na análise assintótica duas distribuições “mãe”, distribuições de todas as vazões médias diárias, com comportamento de potência para vazões mínimas, foram investigadas: i) Gama; ii) LN2. O estudo foi aplicado a 11 estações fluviométricas da bacia hidrográfica do rio Iguaçu com 48 anos de dados. Concluiu-se que a distribuição LN2 apresentou melhor ajuste segundo o teste χ2 . Verificou-se que a distribuição Gama, com relação aos mínimos, tende a uma função de potência, e em consequência à distribuição W2. Os parâmetros k, b e µX, das vazões mínimas anuais moduladas, ajustaram-se bem à distribuição LN2. De acordo com as duas abordagens utilizadas, pode-se recomendar a LN2 para estudos de vazões mínimas na bacia hidrográfica do rio Iguaçu.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The study of minimum flows is increasingly important due to the relationship with ecosystem sustainability, the economy and its role as a sentinel of climate change. The aim of this paper is to contribute to the theoretical treatment of minimum extremes and, specifically, minimum flows. The method has two approaches: i) conventional; ii) asymptotic. In conventional analysis, the Weibull (W2) and Lognormal distributions of two parameters (LN2) were adjusted to the series of annual minimum flows and minimum averages of 7-day flows. In the asymptotic analysis approach two parent distributions, the distributions of all average daily flows, with power behavior for minimum flows, are investigated: i) Gamma; ii) LN2. The theory studied in this paper is applied to 11 gauged stations in the Iguaçu river basin with 48-year data series. It was concluded that the LN2 distribution presents the best fit according to the χ2 test. It was found that the Gamma distribution, with respect to the minimums, tends to a power function, and consequently the W2 distribution. The parameters k, b and μX , of the normalized annual minimum flow series are well-fitted to the LN2 distribution. According to both approaches, LN2 can be recommended for studies of minimum flows in the Iguaçu river basin.
  • Wastewater treatment systems selection inside watersheds by using multiobjective analysis Scientific/technical Article

    Bringer, Luiza Mayer; Reis, José Antonio Tosta dos; Mendonça, Antonio Sérgio Ferreira

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Buscando-se determinar níveis de remoção requeridos para estações de tratamento de esgotos (ETEs), diversas metodologias têm sido propostas para auxílio aos processos de seleção de sistemas de tratamento de esgotos, visando, usualmente, atingir objetivos de natureza econômica. No entanto, em sistemas de recursos hídricos, a busca pela solução de problemas envolve objetivos múltiplos e conflitantes. O presente trabalho empregou, para a bacia hidrográfica do rio Pardo (Espírito Santo, Brasil), modelo de simulação da qualidade da água, técnica de otimização e análise multiobjetivo para selecionar sistemas de tratamento de esgotos, considerando-se os padrões para a demanda bioquímica de oxigênio em efluentes, impostos pela Resolução CONAMA n o 430/2011. Após a proposição de um modelo de otimização, que levou à indicação de eficiências mínimas de tratamento necessárias, foi aplicado o método ELECTRE III, que indicou sistemas de tratamento de esgotos para as localidades responsáveis pela disposição de esgotos brutos na bacia hidrográfica do rio Pardo. Os resultados indicaram que a conservação dos padrões estabelecidos para os efluentes pode levar à superestimativa de plantas de tratamento e distribuição inadequada dos recursos financeiros destinados à implantação de ETEs. Sistemas como Biofiltro Aerado Submersos (com Nitrificação), Wetlands e Lagoas Facultativas foram os mais selecionados, considerando os contextos avaliados neste trabalho.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In order to determine required wastewater treatment plants (WWTP’s) efficiencies, several methodologies have been proposed to assist the sewage treatment systems process selection, usually aiming to achieve economic objectives. However, in water resources problems solving, search involves multiple and conflicting objectives. This work used, for Pardo’s river basin (Espírito Santo State, Brazil), water quality simulation model, optimization technique and multiobjective analysis for selecting sewage treatment systems, taking into account Brazilian environmental effluents Biochemical Oxygen Demand standards, imposed by CONAMA Resolution 430/2011. After proposing an optimization model that allowed the estimation of minimum organic matter removal efficiencies, a multiobjective analysis was applied by using the ELECTRE III method, which selected sewage treatment systems for localities responsible for domestic wastewater disposal in Pardo’s river basin. The results indicated that keeping the effluents standards can produce treatment plants overestimation and inadequate allocated financial resources distribution for sewage treatment plants implementation. Treatment systems such as Submerged Aerated Biofilters (with Nitrification), Wetlands and Facultative Ponds were the most selected, considering different contexts appreciated in this work.
  • Wind-induced internal seiches in Vossoroca reservoir, PR, Brazil Scientific/technical Article

    Bueno, Rafael de Carvalho; Bleninger, Tobias Bernward

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os transportes verticais de nutrientes, compostos químicos e microrganismos causados pela presença de ondas internas causam um grande efeito no estado trófico de reservatórios. Poucas pesquisas buscam verificar a ocorrência de ondas internas em reservatórios, sistemas muitas vezes mais dendrítico que lagos. O objetivo desta pesquisa foi identificar ondas internas no reservatório do Vosorroca (Paraná), utilizando, para isso, séries de temperatura da coluna de água coletados entre os meses de Agosto e Novembro de 2012. Foi utilizado o método de duas camadas para a identificação da periodicidade das ondas internas. Através da relação de dispersão foram obtidos os períodos teóricos das ondas internas em águas rasas. As densidades espectrais de potência da série de temperatura na profundidade média da termoclina auxiliaram na identificação dos picos de frequências. Foi possível observar um grande pico de frequência durante o mês de Novembro, mês que apresentou maior estratificação térmica. O pico identificado como uma onda interna de periodicidade de 8 horas condiz com o período teórico de uma onda V1H1, obtido a partir do modelo. Ventos de baixa intensidade (≈ 1 m/s) predominantemente direcionados à nordeste excitaram uma onda V1H1. De acordo com os espectros de potência, após a passagem desta onda foram verificadas ondas internas de modos baroclínicos superiores e uma possível degeneração da onda interna de periodicidade de 8h.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The vertical movements caused by internal waves in lakes and reservoirs have chemical and biological consequences for these ecosystems. The vast majority of studies that investigate internal waves are conducted on large lakes. There are just few researches that investigate this phenomenon on dendritic reservoirs. The purpose of this research was to identify internal waves (baroclinic mode) in the Vossoroca reservoir by using temperature time series recorded between May to November 2012. A two-layer method was used which considered rigid upper and lower boundaries. Moreover, the potential flow theory was used for both layers since the flow within each layer was considered irrotational. From the dispersion relation, we obtained the theoretical shallow internal wave period. The power spectral density (PSD) of temperature series of thermocline depth, provided by fast Fourier transform, helped in the identification on the frequency peak. Subsequently, the theoretical period was compared with the frequency spectra. Using a careful analysis (excluding the interference of solar radiation and intensity of wind), we observed a clear peak in November due to an internal wave with period around 8 hours, which matched the theoretical calculation from the dispersion relation equation for V1H1 mode. Weak winds from southwest excited a V1H1 baroclinic mode. According to spectral analysis, after the passage of this long-basin internal seiches, we identified the formation of higher vertical internal seiche modes. In addition, we observe indications of V1H1 mode degeneration.
  • Soil variables as auxiliary information in spatial prediction of shallow water table levels for estimating recovered water volume Scientific/technical Article

    Santarosa, Lucas Vituri; Manzione, Rodrigo Lilla

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os dados espaciais tornaram-se cada vez mais utilizados em muitos campos científicos devido ao acesso à resultados do monitoramento de diferentes fontes. No caso do mapeamento hidrológico, medidas de condições ambientais externas, como solo, clima, vegetação, estão frequentemente disponíveis, além das medidas das características da água. Uma abordagem de modelagem integrada capaz de incorporar vários conjuntos de dados de entrada que podem ter geometrias heterogêneas e outras características de erro que pode ser alcançada usando técnicas geoestatísticas. Neste estudo, foram utilizadas diferentes propriedades físicas dos solos amplamente amostrados e a topografia como informação auxiliar para fazer inferências ótimas das profundidades do nível freático em área florestal. Utilizou-se dados de 48 poços no Sistema Aquífero Bauru na Estação Ecológica de Santa Bárbara (EEcSB), no município de Águas de Santa Bárbara, no Estado de São Paulo, Brasil. O uso da resistência do solo à penetração e a topografia como variáveis ​​auxiliares ajudou a reduzir erros de predição. Com os mapas gerados, foi possível estimar os volumes de água recuperados no lençol freático em dois períodos durante o monitoramento. Estes valores mostraram que 30% do volume recuperado seria suficiente para suprir a demanda por água por três meses para uma população de 30 mil habitantes. Portanto, isso levanta a possibilidade de usar áreas como o EEcSB como suprimentos estratégicos na gestão de recarga artificial.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Spatial data became increasingly utilized in many scientific fields due to the accessibility of monitoring data from different sources. In the case of hydrological mapping, measurements of external environmental conditions, such as soil, climate, vegetation, are often available in addition to the measurements of water characteristics. An integrated modelling approach capable to incorporate multiple input data sets that may have heterogeneous geometries and other error characteristics can be achieved using geostatistical techniques. In this study, different physical hydric properties of soils extensively sampled and topography were used as auxiliary information for making optimal, point-level inferences of water table depths in forest areas. We used data from 48 wells in the Bauru Aquifer System in the Santa Bárbara Ecological Station (EEcSB), in the municipality of Aguas de Santa Bárbara in São Paulo State, Brazil. Using the resistance of soil to penetration and topography as auxiliary variables helped reduce prediction errors. With the generated maps, it was possible to estimate the volumes of water recovered from the water table in two periods during the monitoring period. These values showed that 30% of the recovered volume would be sufficient for a three-month supply of water for a population of 30,000 inhabitants. Therefore, this raises the possibility of using areas such as the EEcSB as strategic supplies in artificial recharging management.
  • Monitoring water quality of the Sergipe River basin: an evaluation using multivariate data analysis Scientific/technical Article

    Alves, José do Patrocinio Hora; Fonseca, Lucas Cruz; Chielle, Raisa de Siqueira Alves; Macedo, Lúcia Calumby Barreto

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Nesse estudo foi avaliada a eficiência da rede de monitoramento da qualidade da água da bacia hidrográfica do rio Sergipe, usando a análise multivariada de dados, através da análise de componentes principais (ACP) e análise de agrupamento hierárquico (AAH). A ACP foi aplicada a uma matriz de dados composta por 12 estações de amostragem e concentrações médias de 23 parâmetros da qualidade da água, obtidos em quatro campanhas de amostragem no período de junho/2013 a novembro/2015. Todas as 12 estações de amostragem foram consideradas como principais (peso>0,7) e, portanto, devem ser mantidas no programa de monitoramento. A ACP apontou que dos 23 parâmetros medidos, são essenciais para avaliação da qualidade da água, apenas 16 no período seco e de 17 no período chuvoso. A AAH separou as estações da rede de monitoramento em 4 grupos em função das características da qualidade da água, considerando os impactos naturais e antropogênicos. Os principais impactos foram originários de fontes naturais (constituintes minerais) e de aportes antropogênicos associados a despejos urbanos, sanitários, indústrias e escoamento superficial de áreas agrícolas.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This study evaluated the efficiency of the water quality monitoring network of the Sergipe river basin, using multivariate data analysis, such as principal component analysis (PCA) and hierarchical cluster analysis (HCA). The PCA was applied to a data matrix consisting of 12 sampling stations and mean concentrations of 23 water quality parameters, obtained in four sampling campaigns from June/2013 to November/2015. All 12 sampling stations were considered as main (weight>0.7) and therefore should remain in the monitoring program. The PCA pointed out that of the 23 measured parameters, only 16 are essential for water quality assessment, in the dry period and 17 in the rainy season. The HCA separated the stations of the monitoring network in 4 groups according to the water quality characteristics, considering the natural and anthropogenic impacts. The main impacts were originated from natural sources (mineral constituents) and the anthropogenic contributions were associated with urban input, sewage, industrial dumps and surface runoff from agricultural areas.
  • Physical-based time series model applied on water table depths dynamics characteristics simulation Scientific/technical Article

    Manzione, Rodrigo Lilla

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A análise de séries temporais aplicada ao estudo de dados de monitoramento do nível freático é uma maneira elegante de modelar dados irregulares e contínuos. Quando observações sucessivas são dependentes, os valores futuros podem ser previstos a partir de observações passadas, e os parâmetros alvo podem ser estimados. Estes podem incluir os valores esperados das profundidades das águas subterrâneas, ou probabilidades de que os níveis críticos sejam excedidos em determinados momentos ou durante determinados períodos. Estes parâmetros alvo são estimados com a finalidade de obter características do desenvolvimento de um determinado domínio no tempo, e tais características podem, por exemplo, ser extrapoladas para situações futuras. Através de uma abordagem de identificação de sistema, é possível estabelecer a relação dinâmica entre perturbações nos níveis freáticos e eventos climáticos, vegetação, condições hidrogeológicas locais, manejo e abstração das águas subterrâneas. O objetivo desse trabalho foi demonstrar a aplicação de um modelo de séries temporais fisicamente embasado no estabelecimento da relação entre precipitação e oscilação de níveis freáticos a partir de dados de monitoramento hidrogeológico. Os resultados permitiram inferir sobre a dinâmica dos níveis freáticos mesmo quando afetados por diferentes padrões climatológicos, simulando estados médios, mínimos e máximos de alturas do nível freático.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Time series modelling applied to study water table depths monitoring data is an elegant way to model irregular and continuous data. When successive observations are dependent, future values may be predicted from past observations, and target parameters can be estimated. These may include expected values of groundwater levels, or probabilities that critical levels are exceeded at certain times or during certain periods. These target parameters are estimated with the purpose of obtaining characteristics of the development of a certain domain in time and such characteristics can, for instance, be extrapolated to future situations. In a system identification approach, is it possible to establish the dynamic relationship between water table perturbations and climatological events, vegetation, hydrogeological local conditions, management and groundwater abstraction. The aim of this work was demonstrate the use of a physical-based time series model to stablish the relationship between precipitation and water table depths from hydrogeological monitoring data. The results enabled to infer about water table dynamics even when it is affected by different climatological patterns, simulating mean, maximum and minimum states.
  • Combination of the SCS-CN and the GRADEX models to maximum flow estimation Scientific/technical Article

    Mota, Tainá; Naghettini, Mauro; Fernandes, Wilson; Silva, Francisco

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A ausência de monitoramento hidrométrico com extensão, periodicidade, resolução temporal e qualidade adequadas é a realidade brasileira em muitas bacias hidrográficas. Assim, a determinação de volumes de cheia comumente ocorre a partir de modelos chuva-vazão de simples aplicação, tal como o método SCS-CN. Embora o modelo SCS seja largamente aceito, diversos autores têm questionado os resultados de sua aplicação em bacias com características distintas daquelas estudadas originalmente. Uma alternativa para cálculo das vazões máximas em bacias com escasso monitoramento fluviométrico é o método GRADEX, que propõe a extrapolação da curva de frequência dos volumes de cheia a partir de séries de precipitação. Apesar de consolidado, é pouco aplicado no Brasil devido às dificuldades encontradas na resolução de suas hipóteses iniciais. Este artigo sugere, portanto, a combinação de ambos os métodos, visando uma metodologia que reduza as incertezas envolvidas na determinação da distribuição de probabilidades de volumes de cheias. O estudo de caso é realizado na bacia hidrográfica do ribeirão Serra Azul, Juatuba - MG, que dispõe de 12 anos de registros contínuos. A referida combinação ocorre na definição dos limites inferior e superior da distribuição de probabilidades da retenção global de água no solo e na bacia, variáveis do método GRADEX, a partir do conceito do CNASSINTÓTICO. Os cenários modelados evidenciam as diversas possibilidades existentes na extrapolação dos volumes de escoamento superficial, dispondo-se de uma faixa de resultados que melhor embasam a definição da condição de saturação da bacia e, consequentemente, o cálculo das vazões máximas, comparativamente aos métodos originais.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The absence of hydrometric monitoring of adequate extension, periodicity, temporal resolution and quality is the Brazilian reality in many drainage basins. It’s common the use of rainfall-runoff models of simple application to determine rainfall excess volumes, such as the SCS-CN method. Although the SCS method is broadly accepted, many authors have questioned the results derived from its application to catchments with distinct characteristics than those studied during its original formulation. An alternate method for maximum flow estimation in catchments with scarce monitoring is the GRADEX method, which proposes extrapolation of the flood volumes’ frequency curve from precipitation series. Despite being a consolidated method, it is rarely used in Brazil because of the difficulties found in fulfilling its initial hypotheses. This paper suggests, therefore, the combination of both methods, aiming for a methodology that better describes the uncertainties involved in the determination of the direct flood volumes’ probability distribution. The case study is conducted on the Serra Azul river catchment, Juatuba – MG, which offers 12 years of continuous records. The referred combination occurs on the definition of the lower and upper boundaries of the probability distribution of global water retention in the soil and in the catchment, as embedded in the GRADEX method, from the CNASYMPTOTIC concept. The modelled scenarios bear evidence of the many possibilities that may exist in the extrapolation of the frequency curve of surface runoff volumes suggests a range of results that better underpins the definition of the saturation condition and, consequently, the maximum rainfall excess calculation, as compared to the originally proposed methods.
  • Influence of sewage disposal on the water quality of the Sucuru River alluvial aquifer in the municipality of Sumé-PB, Brazil Scientific/technical Article

    Salgado, Jaqueline Pereira; Coura, Mônica Amorim; Barbosa, Dayse Luna; Feitosa, Patricia Hermínio Cunha; Meira, Marcela Antunes; Rêgo, Janiro Costa

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O objetivo desta pesquisa foi avaliar a influência do lançamento de esgotos na qualidade da água explotada do aquífero aluvial do rio Sucuru, localizado no município de Sumé - PB. O estudo foi realizado a partir de análises físico-químicas e microbiológicas das águas de nove poços situados ao longo do aluvião. Os resultados dos indicadores mostraram que o aquífero aluvial estudado possui capacidade de filtrar e dispersar poluentes, sendo possível observar ao longo do perímetro aluvial uma redução gradativa de cloretos, demanda química de oxigênio e sólidos totais dissolvidos. Nesse sentido, o esgoto urbano se transforma numa fonte de recarga hídrica com potencialidade de ser reaproveitado. Conclui-se que o uso da água desse tipo de aquífero, intensificado nos recentes anos secos, pode se estabelecer de forma segura e sustentável mediante a recarga controlada do aquífero com acompanhamento rigoroso das condições qualitativas da água/esgoto circulante, associada a avaliações quantitativas. O aprofundamento de estudos nesta direção deve levar a um modelo de utilização adequada desse sistema, que pode ser reproduzido na região do semiárido brasileiro.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The objective of this study was to evaluate the influence of sewage discharge on the quality of the water exploited from the Sucuru River alluvial aquifer, located in the municipality of Sumé, Paraíba state, Brazil. The study was based on physical-chemical and microbiological analyses of the waters from nine wells located along the alluvium. The results of the indicators showed that the alluvial aquifer studied has the capacity to filter and disperse pollutants. It is possible to observe a gradual reduction of chlorides, chemical oxygen demand and total dissolved solids along the alluvial perimeter. Thus, urban sewage becomes a source of water recharge with potential to be reused. We concluded that the utilization of water from this type of aquifer, which has been intensified in recent dry years, can be established in a safe and sustainable way. However, a strict monitoring plan for controlling recharge groundwater levels is highly necessary. Further studies in this direction should lead to a model of adequate use of this system, which can be reproduced in the Brazilian semi-arid region.
  • Relationships between pacific and atlantic ocean sea surface temperatures and water levels from satellite altimetry data in the Amazon rivers Scientific/technical Article

    Silva, Mylena Vieira; Paris, Adrien; Calmant, Stéphane; Cândido, Luiz Antonio; Silva, Joecila Santos da

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A influência da TSM (Temperatura da Superfície do Mar) dos oceanos adjacentes na variabilidade dos níveis de água na bacia Amazônica foi investigada a partir da composição de dados das missões altimétricas ENVISAT e Jason-2. Empregaram-se dados da rede convencional para comparação das correlações de anomalias de níveis de água e anomalias de TSM, considerando as sub-bacias dos rios Amazonas-Peru, Solimões, Negro e Madeira, nas escalas mensal e anual entre 2003 e 2015. As correlações com anomalias de cotas altimétricas apresentaram índices elevados de acurácia em relação àqueles da rede convencional. De modo geral, o ATN e o PAC são mais bem correlacionados com toda a bacia. Durante os meses de enchente, ocorrem associações negativas com ATN para a maioria das sub-bacias estudadas, enquanto, nos meses de vazante, as respostas em relação aos índices variam de acordo com a região. Foram analisadas, também, regiões não monitoradas pela rede convencional e os impactos de extremos hidrológicos nos últimos 13 anos. Nos rios a oeste da Amazônia, destaca-se a seca de 2010, associada ao aquecimento do Atlântico Tropical e ao El Niño. No rio Negro, as anomalias de nível de água foram as menores da bacia durante a seca de 2005. Já no Purus, os efeitos da seca de 2010, que atingiu toda a Amazônia, foram maiores em 2011 devido a sua forte relação com os oceanos Altântico e Pacífico. De forma geral, extremos hidrológicos são mais fortes ou evidentes quando a TSM aumenta simultaneamente nos dois oceanos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The influence of SST (Sea Surface Temperature) of adjacent oceans on the variability of water levels in the Amazon basin was investigated by using radar altimetry from the ENVISAT and Jason-2 missions. Data from the in situ network was used to compare the correlations of water level and SST anomalies in the sub-basins of the Amazonas-Peru, Solimões, Negro and Madeira Rivers. The analysis was made on the monthly and annual scales between 2003 and 2015. The correlations with anomalies of levels from altimetry presented higher accuracy indices than those from the conventional network. In general, ATN and PAC are better correlated with the entire basin. During the flood months, most of the sub-basins presented negative associations with ATN. In the months of ebb, the response to the indexes varies according to the region. The satellite altimetry data permitted to reach regions non-monitored by the conventional network. We also analyzed the impacts of hydrological extremes in all these sub-regions in the last 13 years. In Western Amazon, the drought of 2010 stands out, associated with the warming of the Tropical Atlantic and the El Niño. In the Negro River, the water level anomalies were the lowest in the basin during the 2005 drought. In the Purus River, the effects of the 2010 drought that affected the entire Amazon, were higher in 2011 due to its strong relationship with the Atlântic and Pacific oceans. In general, hydrological extremes are stronger or highlighted when SST increases simultaneously in both oceans.
  • Alternative methodology to gap filling for generation of monthly rainfall series with GIS approach Scientific/technical Article

    Bielenki Junior, Claudio; Santos, Franciane Mendonça dos; Povinelli, Silvia Cláudia Semensato; Mauad, Frederico Fábio

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Como alternativa ao preenchimento de falhas em séries de precipitação média mensal buscou-se desenvolver uma metodologia baseada apenas em dados observados disponíveis nas estações pluviométricas presentes na área de estudo e seu entorno. Para isso desenvolveu-se uma ferramenta computacional em ambiente de sistema de informações geográficas, com uso de scripts na linguagem Python. A partir de uma série de dados sem falhas impô-se falhas aleatórias para avaliação da metodologia apresentada. Posteriormente, os valores obtidos foram comparados às precipitações médias obtidas por polígonos de Thiessen variáveis e por interpoladores pelo inverso da distância (IDW) variáveis. Avaliou-se o comportamento das séries obtidas por meio da análise de medidas de dispersão e pelo comportamento dos correlogramas e periodogramas. Foram obtidos resultados satisfatórios que demonstram a equivalência da proposta com resultados encontrados com os dois métodos de preenchimento de falhas de referência, com pequenas diferenças entre as séries obtidas, conforme proximidade dos Índices de Nash-Sutcliff. Não foram observadas diferenças significativas entre as precipitações médias obtidas por polígonos de Thiessen e interpoladores IDW.

    Abstract in English:

    ABSTRACT As an alternative to Gap filling in monthly average rainfall series, we attempted to present a methodology for the generation of series only with the observed data available in the rainfall stations present in the study area and its surroundings. For this, a computational tool was developed with a GIS approach, using scripts in the Python language, to automate the study steps. Two calculation alternatives for the mean precipitation, variable Thiessen polygons or variable inverse distance weights (IDW), were considered. Random gaps were imposed from a series of data without gaps allowing us to evaluate the presented methodology. The results of the series calculated according to this methodology were compared to two methods of Gap filling. The behavior of the series was evaluated through the analysis of position and dispersion measurements as well as the temporal behavior by the evaluation of the correlograms and periodograms. The results are found to be satisfactory, which demonstrates the equivalence of the proposal with results found with the gap filling methods under the tested conditions. The differences found between the series were small, which was reflected in the Nash-Sutcliffe Indexes. There were no significant differences between the calculation alternatives by Thiessen polygons or IDW weights.
  • Uncertainty assessment in hydrodynamic modeling of floods generated by dam break Scientific/technical Article

    Tschiedel, Arthur da Fontoura; Paiva, Rodrigo Cauduro Dias de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O presente trabalho teve como objetivo realizar uma avaliação de fontes de incerteza em simulações de onda de cheia de rompimentos de barragens para áreas de características contrastantes: uma em vale encaixado e altas declividades e outro com vale aberto e baixas declividades. Uma análise da sensibilidade do modelo hidrodinâmico Hec-Ras 5.03 foi realizada, perturbando-se os dados de entrada do modelo (coeficiente de Manning, configurações da brecha, volume do reservatório, topografia do vale de jusante e tipo de equacionamento considerado). Após observou-se como essa variação alterava a vazão de pico, tempo de pico, profundidade máxima e a velocidade máxima para diferentes seções localizadas ao longo dos cursos hídricos. Concluiu-se que as incertezas existentes na determinação dos dados de entrada impactam de forma variada na onda de cheia gerada, considerando tanto a variável hidráulica de interesse como o distanciamento da seção em relação ao barramento e a característica geomorfológica média do vale de jusante. A topografia nem sempre é o dado de entrada de maior importância, o que permite, até certo ponto, a utilização de topografias de baixa resolução para estimar tempo de pico em algumas seções, dependendo do vale. Por fim, sugerem-se coeficientes de segurança para estudos de rompimento de barragens, que visam representar as incertezas dos dados de entrada nos resultados gerados.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The objective of the present work was to evaluate sources of uncertainty in dam break simulations for areas with contrasting characteristics: one in a narrow valley with high slopes, and another an open valley with low slopes. A sensitivity analysis of the hydrodynamic model Hec-Ras 5.03 was performed, varying the input data of the model (Manning coefficient, breach configurations, reservoir volume, type of valley topography and equation considered). These variations cause different changes in peak flow, peak time, maximum depth and a maximum speed for different sections of the downstream watercourse. It was concluded that there are uncertainties in determining the input data that impacts in many ways at the generated flood wave, considering both a hydraulic variable of interest, the distance of the section from the dam and the mean geomorphological characteristic of the downstream valley. Topography is not always the most important input data, which allows the possibility of use of low resolution topographies to estimate the peak time in some sections, depending on the valley. Finally, safety coefficients for dam break studies are suggested, aiming to represent uncertainties of the input data in the generated results.
  • Surface water quality assessment of the main tributaries in the lower São Francisco River, Sergipe Scientific/technical Article

    Britto, Fábio Brandão; Vasco, Anderson Nascimento do; Aguiar Netto, Antenor de Oliveira; Garcia, Carlos Alexandre Borges; Moraes, Gilsia Fabiane Oliveira; Silva, Marinoé Gonzaga da

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A contaminação de corpos d’água por fontes difusas e pontuais em mananciais tem causado preocupações principalmente pelas restrições em sua qualidade. O problema torna-se ainda mais grave quando a contaminação afetar a água destinada ao consumo humano, como ocorre no rio São Francisco, que é a principal fonte de água para abastecimentos de várias cidades do nordeste do Brasil. Neste sentido, o objetivo deste estudo foi avaliar a qualidade da água em onze afluentes do rio São Francisco no seu baixo curso no período de 2013 a 2014, para subsidiar tomadas de decisões por parte de órgãos de gestão pública que atuam na região. Utilizou-se, para isso, o Índice de Qualidade da Água (IQA) e o Índice de Estado Trófico (IET), também foram utilizadas técnicas de agrupamento hierárquico associado as amostras para comparar as diferentes fontes de contaminação de cada manancial. Os menores valores de IQA foram determinados no rio Betume e Jacaré e estão associados a altas concentrações de coliformes provenientes do despejo de efluentes doméstico das cidades ribeirinhas. Observou-se, ainda, uma tendência a eutrofização do riacho Jacaré e dos rios Santo Antônio, dos Pilões, Papagaio e Capivara demonstrada pelo alto IET no período chuvoso. Os resultados da análise de agrupamento de amostras apresentaram proximidades com relação a sua distância euclidiana, e isso demonstra que houve relações de similaridade entre os mananciais distintos relacionados a seus parâmetros de qualidade da água. Neste trabalho também foi utilizada a Análise Fatorial que resultou na seleção de cinco fatores indicadores de qualidade da água que estão relacionados, principalmente, com o conteúdo mineral, matéria orgânica, escoamento superficial e grau de poluição. Dessa forma, conclui-se que a qualidade da água dos afluentes do rio São Francisco apresenta indícios de contaminação e que seus afluentes necessitam de um monitoramento constante para as decisões de gestão ambiental sejam as mais adequadas para sobrevivência sustentável das comunidades ribeirinhas.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Contamination of water body by diffuse and point sources in springs has caused concerns mainly due to restrictions on its quality. The problem becomes more serious when contamination affects water for human consumption, as occurs in the river São Francisco, which supplies several municipalities of Sergipe. In this sense, the objective of the study was to evaluate water quality in eleven tributaries of the São Francisco river in its low course in the period from 2013 to 2014, in order to subsidize decision making by public management bodies operating in the region. For this purpose, it was used the Water Quality Index (WQI) and the Trophic State Index (TSI), as well the hierarchical grouping techniques associated to the samples to compare the different causes of contamination of each source. The lowest WQI values were observed in the rivers Betume and Jacaré and they were associated with high concentrations of coliforms related to the disposal of domestic effluents from the riverside cities. It was observed a tendency to eutrophication in the Jacaré stream, Santo Antônio, Pilões, Papagaio and Capivara rivers demonstrated by the high TSI in the rainy season. The results of the cluster analysis were close to their Euclidean distance, and showed that there were similarity relationships between the different water sources related to their parameters of water quality. In this piece of work, we also used the Factor Analysis resulted in the selection of five factors of water quality indicators which are mainly related to mineral content, organic matter, surface runoff and the level of pollution. Thus, it is concluded that the water quality of the São Francisco river tributaries is at a strong tendency towards contamination and that its tributaries need a constant monitoring for the environmental management decisions to be the most adequate for the sustainable survival of the riverside communities.
  • Determining forest litter interception in an area of the Cerrado sensu stricto Scientific/technical Article

    Rosalem, Lívia Malacarne Pinheiro; Anache, Jamil Alexandre Ayach; Wendland, Edson

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Devido principalmente à dificuldade em medir diretamente a interceptação pela serrapilheira, muitos trabalhos empíricos sobre balanço hídrico em florestas têm desconsiderado essa componente. A fim de avaliar a magnitude da interceptação pela serrapilheira em uma área de Cerrado sensu stricto, foi realizada uma estimativa do volume interceptado a partir de equações de dois parâmetros da serrapilheira (Cmax e Cmin), obtidas a partir de ensaios em laboratório, e do monitoramento da quantidade de serrapilheira. As estimativas obtidas de interceptação pela serrapilheira para os anos de 2015 e 2016 foram comparadas com os valores calculados de evapotranspiração e de precipitação interna da área de estudo. O volume total interceptado pela serrapilheira correspondeu em média a 13,4% da precipitação interna e 8,5% da precipitação total. Em relação à evapotranspiração total anual, a evaporação do volume interceptado pela serrapilheira correspondeu em média a 10,3% (122 mm) desse total. A interceptação da serrapilheira para áreas como as de Cerrado sensu stricto pode ter impacto significativo no balanço hídrico. Isso evidencia a necessidade de medições diretas da interceptação pela serrapilheira, possibilitando determinações mais precisas da partição da precipitação nessas áreas florestais.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Mainly due to the difficulty of directly measuring forest litter interception, many empirical studies on water balance in forests have disregarded this component. In order to assess the magnitude of forest litter interception in an area of the Cerrado s.s. , an estimate of the intercepted volume was made based on equations from two forest litter parameters (Cmax and Cmin) obtained from laboratory assays and monitoring the forest litter quantity. The estimates obtained from the litter interception for 2015 and 2016 were compared with the calculated values of evapotranspiration and internal precipitation of the study area. The total volume of litter interception corresponded on average to 13.4% of the internal precipitation and 8.5% of the total rainfall. Regarding the total annual evapotranspiration, the evaporation from the forest litter interception volume corresponded on average to 10.3% (122 mm) of this total. Forest litter interception for areas such as the Cerrado sensu stricto can have a significant impact on the water balance. This shows the need for directly measuring the forest litter interception, providing more accurate determinations of the rainfall partitioning in these forest areas.
  • Limits and conditions for the exploitation of alluvial aquifers in the Brazilian semi-arid region Scientific/technical Article

    Alves, Everton John Camelo; Rêgo, Janiro Costa; Galvão, Carlos de Oliveira; Vieira, José Benito de Andrade

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO No semiárido do Brasil, os aquíferos aluviais são de fácil aproveitamento e com características favoráveis à construção de barragens subterrâneas. A determinação do potencial efetivo de explotação desses aquíferos deve levar em consideração, além dos limites de funcionamento dos poços, a afluência subterrânea a montante da área explotada, assim como a efluência para jusante, de forma a assegurar demais usos e demandas. Neste artigo é tratado o caso de trecho de aquífero aluvial dotado de barragem subterrânea e poços, analisado por meio de modelo computacional. Simulamos os padrões de escoamento subterrâneo para diferentes cenários de explotação de água, considerando as implicações de disponibilidade hídrica para trechos a jusante. Identificamos limitações ao atendimento das demandas, causadas pela necessidade de garantir o escoamento da água subterrânea para jusante. Tais limitações, contudo, puderam ser minimizadas por meio de adequações na locação dos poços, de modificações no regime de explotação e da inserção de barragens subterrâneas. A definição destas medidas é possibilitada pela simulação computacional, mas sua implantação dependerá de negociação entre os usuários na escala de bacia, para concessão adequada das outorgas de extração da água subterrânea.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Easily exploitable aquifers are formed along river beds in the Brazilian semi-arid region and present characteristics that enable the construction of underground dams. The estimate of the potential effective exploitation of these aquifers must take into account the pumping limits of the wells, the upstream groundwater inflows and the flows to downstream reaches and through the underground dam, whose reduction influences the downstream supply. The current research presents a real case study about an aquifer reach, with underground dam and wells, which was analyzed through computational model. We simulated the groundwater flow patterns according to different exploitation scenarios and found that there should be water extraction limitations to assure the required downstream flows. The limitations can be minimized through appropriate well locations and exploitation regimes, as well as through the implementation of underground dams. The definition of these measures becomes possible through the sound use of computational simulation, but their effective implementation will depend on negotiations among users at the basin scale, so that appropriate water permits can be issued.
  • Clustering of historical floods observed on Iguaçu River, in União da Vitória, Paraná Scientific/technical Article

    Steffen, Patrícia Cristina; Gomes, Júlio

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A ocorrência de eventos de cheia tem se tornado mais frequente e, no Brasil, existem regiões que sofrem com a repetição destes eventos. Em União da Vitória, no estado do Paraná, estes fenômenos são comumente registrados, gerando, a cada evento, uma série de consequências, como, por exemplo, prejuízos financeiros, danos ambientais, perdas de casas e mortes. Assim, uma vez que não é possível evitar a ocorrência das inundações, procura-se diminuir os seus impactos, e, em um cenário de repetição de eventos de cheia, como observado no município de União da Vitória, justifica-se a aplicação do agrupamento de cheias históricas, com o objetivo de melhorar o conhecimento sobre o comportamento hidrológico da bacia hidrográfica e auxiliar na determinação de parâmetros de modelos hidrológicos. O objetivo do agrupamento de cheias consiste em estabelecer conjuntos de eventos com características semelhantes, e, para isso, baseando-se na lógica difusa, o presente estudo utilizou o algoritmo fuzzy c-means como ferramenta para agrupar as cheias do rio Iguaçu, observadas na cidade de União da Vitória, a partir da definição de diferentes indicadores de severidade de uma cheia. Esta classificação, por sua vez, foi capaz de definir quatro diferentes grupos de eventos de cheias, com distintos níveis de severidade, assim denominados: severidade baixa; severidade média; severidade alta; desastres ou catástrofes. Desta forma, através da análise das características semelhantes entre os eventos de cada grupo, acredita-se que, posteriormente, seja possível estudar os mecanismos de formação das cheias de cada grupo e contribuir para a diminuição dos seus impactos, através, por exemplo, de sistemas de alerta e previsão de cheias em tempo real.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The occurrence of flood events has become more frequent, and, in Brazil, there are regions that suffer with the repetition of those events. In União da Vitória, located in Paraná State, Brazil, those phenomena are commonly recorded, generating series of consequences for each flood event, such as financial losses, environmental damages, home losses and deaths. So, since it is not possible to avoid the occurrence of floods, it is necessary to reduce its impacts, and in a scenario of repeated flood events, as observed in União da Vitória, it is justified the clustering of historical floods, aiming to improve the knowledge about the river basin hydrological behavior and to assist in the determination of hydrological models parameters. Clustering analysis aims to establish sets of events with similar characteristics, and, for this, based on fuzzy logic, the present study uses the fuzzy c-means method to cluster Iguaçu river floods, observed in União da Vitória, using a set of different flood severity indicators. The classification defined four clusters, according to different flood severity levels, so-called: low; medium; high; and, disaster or catastrophe. Therefore, by the analysis of similar features among different clusters of events, it is further possible to study the flood formation mechanisms, contributing to the reduction of its impacts, through real-time flood alert and forecasting systems, for instance.
  • Physical modeling applied in evaluation of the safety and efficiency of vessel mooring plans Scientific/technical Article

    Esferra, Rafael; Bernardino, José Carlos de Melo; Alfredini, Paolo

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Para que a movimentação de carga seja realizada de forma segura e eficiente, os terminais portuários devem proporcionar condições favoráveis de abrigo, evitando assim a movimentação excessiva das embarcações atracadas e mitigando os esforços sobre os cabos de amarração. No entanto, terminais, nos quais a influência de ondas, ventos ou correntes proporcionam condições adversas para manter uma embarcação atracada, precisam dar atenção especial ao sistema de amarração dos navios, por meio de estudos que garantam a eficácia do sistema. Neste âmbito, os modelos físicos hidráulicos em escala reduzida se apresentam como a ferramenta mais precisa para simulação de planos de amarração de navios, pois são capazes de reproduzir fielmente toda a complexidade das ações hidrodinâmicas e sua interação com a embarcação. Este artigo apresenta a técnica da modelagem física em estudos de amarração de navios e sua aplicação em um estudo de caso desenvolvido para o Terminal Portuário Ponta da Madeira, para o qual, em um modelo físico na escala 1:170, foi realizada uma comparação de dois planos de amarração para o navio graneleiro da classe Valemax, cujos resultados permitiram definir uma alternativa segura e que tornou viável a operação do berço de atracação durante 100% do tempo.

    Abstract in English:

    ABSTRACT For cargo handling to be carried out safely and efficiently, port terminals should provide favorable conditions of shelter, thus avoiding excessive movement of moored vessels and mitigating strengths on mooring lines. However, terminals in which the influence of waves, winds or currents provide adverse conditions to keep a vessel moored need to pay attention to the mooring arrangement of the vessels, through studies that guarantee the effectiveness of the system. In this context, small-scale hydraulic physical models are the most accurate tool for simulation of mooring lines plans of vessels, since they can accurately reproduce all the complexity of the hydrodynamics and its interaction with the vessel. This manuscript presents the technique of physical modeling in vessel mooring studies and its application in a case study made for Ponta da Madeira Port Terminal. In a scale model 1:170 was carried out a comparison of two proposed mooring arrangements for the Valemax class bulk carrier, the results of which allowed to define a safe alternative that made the berthing operation feasible during almost 100% of the time.
  • Baseflow representation module on MODCEL Scientific/technical Article

    Brito, Pedro Lucas Cosmo de; Miguez, Marcelo Gomes; Azevedo, José Paulo Soares de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO As condições de uso e ocupação do solo de bacias hidrográficas rurais favorecem a infiltração e a consequente geração de escoamento subterrâneo, que constitui significativa contribuição para o hidrograma. Previamente à elaboração deste trabalho, o modelo MODCEL-COPPE/UFRJ somente simulava a chuva efetiva, desconsiderando as perdas ocorridas no processo de transformação de precipitação em escoamento superficial. Desta maneira, sua aplicação era mais adequada a bacias urbanas, na simulação de eventos de cheia, com predominância de escoamentos superficiais. Este estudo objetivou individualizar a infiltração e incorporar o escoamento de base à estrutura do MODCEL, viabilizando a simulação de bacias rurais e ampliando a sua aplicabilidade enquanto modelo hidrológico. Foi realizado um estudo de caso em uma sub-bacia do rio Piabanha de 417 km2, localizada em Petrópolis/RJ. Trata-se de uma bacia predominantemente rural, com 80% de sua área coberta por florestas. O modelo representou satisfatoriamente a sazonalidade e a magnitude das vazões. Na fase de calibração dos parâmetros obteve-se um coeficiente de determinação R2 = 0,75, comparando-se as vazões calculadas às observadas. No período de validação, o R 2 obtido foi de 0,76. O ajuste foi superior ao que se obteve em modelagens pregressas da mesma bacia via SMAP e MODCEL (versão anterior), e similar ao TOPMODEL. Na recessão do hidrograma, o novo MODCEL apresentou R2 = 0,75, contra 0,52 obtido na sua versão anterior.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The land use characteristics of rural watersheds allow infiltration and consequent generation of groundwater flow, which constitutes a significant contribution to the hydrograph. Prior to this study, the MODCEL-COPPE/UFRJ model simulated only runoff, disregarding the losses occurred in rainfall-runoff process. Therefore, its application was more appropriate to urban watersheds, simulating flood events where surface flows prevail. This study aimed at representing the infiltration process and at incorporating the groundwater flow in the MODCEL’s structure, making feasible the rural watersheds simulation thus expanding its applicability as a hydrological model. A case study was performed in a 417 km2 subcatchment of Piabanha River, located at Petrópolis/RJ. It’s a predominantly rural watershed, with 80% of its area covered by forests. The model represented satisfactorily the seasonality and the magnitude of simulated recharges. In the parameter calibration procedure gave a coefficient of determination R2 = 0.75, comparing the calculated flows to the observed flows. During validation period, we obtained a coefficient of determination R2 = 0.76. The fit obtained was superior to that obtained in previous modeling of the same watershed by SMAP and MODCEL (previous version) and it was similar to TOPMODEL. In the hydrograph recession, new MODCEL presented R2 = 0.75, against 0.52 obtained in its previous version.
  • Investigation of the activity of Rn-222 along a small stream in the Representative Basin of Juatuba - MG Scientific/technical Article

    Ferreira, Vinícius Verna Magalhães; Chagas, Cláudio José; Moreira, Rubens Martins; Rocha, Zildete; Santos, Talita de Oliveira; Fonseca, Raquel Luiza Mageste

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Por milhares de anos, a água tem sido objeto de vários experimentos que tentam resolver questões como o abastecimento humano, navegação, irrigação e saneamento. O uso de traçadores para o estudo de recursos hídricos é uma eficiente ferramenta que pode facilitar a modelagem de inúmeros cenários hidrológicos. O objetivo deste trabalho é mostrar alguns resultados de uma pesquisa que rastreou a presença de radônio 222, um traçador natural, nas águas superficiais de um pequeno curso de água na região sudeste do Brasil. O equipamento principal que deu suporte aos trabalhos foi o RAD 7, um detector eletrônico portátil de radônio. Foram analisadas 117 amostras de água e os resultados da atividade do radônio foram convertidos para a dose efetiva de radiação considerando-se um consumo hipotético dessas águas. Os sedimentos do curso de água também foram analisados. Os dados obtidos mostraram que a atividade do radônio nas águas estudadas varia de 0,52 a 76,96 Bq/m3. A dose efetiva de todas as amostras foi menor que 1 mSv y-1, e seu consumo não representa risco para a saúde humana. É possível a existência de conexões entre águas superficiais e subterrâneas no córrego, e os picos de radônio podem indicar a existência de zonas de descarga nas águas de superfície do córrego.

    Abstract in English:

    ABSTRACT For thousands of years, water has been the focus of experimentation toward solving the challenges associated with human water supply, navigation, irrigation, and sanitation. The use of tracers to study water resources is an efficient approach that can facilitate the modeling of many hydrological scenarios. The goal of this paper is to show results of research that tracked the presence of Rn-222, a natural tracer, in the surface waters of a small watercourse in southeastern part of Brazil. RAD 7, which is an electronic and portable radon detector, was the main instrument used in this survey. We analyzed 117 water samples and converted the radon activity results to effective radiation doses with respect to the hypothetical human consumption of these waters. We also analyzed the sediments of the watercourse. The obtained data showed that the radon activity in the studied waters varies between 0.52-76.96 Bq/m3. We determined the effective dose of all samples to be less than 1 mSv y−1, and its consumption to present no risk to human health. The existence of connections between surface and subsurface waters in the stream is possible, and radon peaks may indicate the existence of discharge zones into the surface water body.
  • Forest restoration and hydrological parameters effects on soil water conditions: a structural equation modelling approach Scientific/technical Article

    Bessi, Débora; Tanaka, Marcel Okamoto; Costa, Lara Aranha da; Correa, Carina Julia Pensa; Tonello, Kelly Cristina

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Embora os efeitos das mudanças de uso da terra sobre o funcionamento hidrológico sejam amplamente abordados, questões como quais componentes do sistema hidrológico são afetados, de que maneira e sobre quais escalas de tempo ainda são pouco compreendidas. Nesse contexto, avaliamos se restauração florestal melhora as condições hídricas do solo em uma área de Cerrado, e se os efeitos combinados da estrutura florestal e das variáveis hidrológicas influenciam nos atributos do solo. Para isso, monitoramos três áreas em diferentes estágios de sucessão natural ao longo de sete meses, tendo sido avaliados indicadores de estrutura da vegetação, indicadores hidrológicos e indicadores do solo. As variáveis de estrutura da vegetação foram analisadas segundo Análise de Componentes Principais, e para explicar os efeitos diretos e indiretos entre as variáveis foi utilizada modelagem de equações estruturais. Cada estágio sucessional diferiu em relação à estrutura da vegetação, afetando os processos hidrológicos e ocasionando a melhoria dos atributos do solo com o desenvolvimento da floresta. No estágio inicial a precipitação interna foi mais elevada devido à vegetação mais aberta, e o solo apresentou maior resistência à penetração. Com o desenvolvimento da vegetação, o escoamento pelo tronco e a interceptação também aumentaram. Em decorrência das mudanças estruturais e hidrológicas, o modelo indicou que a umidade do solo foi diretamente influenciada pela precipitação interna e escoamento pelo tronco, assim como pela resistência à penetração e taxas de infiltração do solo, e indiretamente pela estrutura, que influenciou estas variáveis, com exceção das taxas de infiltração. Estes resultados sugerem que as variáveis hidrológicas podem ser bons indicadores para o monitoramento de florestas restauradas, provendo uma ligação direta com as mudanças nas condições dos solos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Although the effects of land use changes on hydrological functioning are widely addressed, issues such as which components of the hydrological system are affected, how and on what time scales are still poorly understood. In this context, we evaluated whether forest restoration improves soil water conditions in a Cerrado area, and whether the combined effects of forest structure and hydrological variables influence soil attributes. For this, we monitored three areas in different stages of natural succession over seven months, and evaluated vegetation structure indicators, hydrological indicators and soil indicators. Vegetation structure variables were analyzed with Principal Components Analysis, and to evaluate the direct and indirect effects among the variables we used structural equations modelling. Each successional stage differed in relation to forest structure, affecting the hydrological processes and causing the improvement of soil attributes with forest development. In the initial stage, throughfall was higher due to the more open vegetation, and the soil was more resistant to penetration. With the development of the vegetation, stemflow and interception also increased. As a result of the structural and hydrological changes, the model indicated that soil moisture was influenced directly by throughfall and stemflow, as well as by soil resistance to penetration and infiltration rates, and indirectly by forest structure, which influenced these variables, except infiltration rates. These results suggest that hydrological variables can be good indicators of forest restoration monitoring, providing a direct link to changes in soil conditions.
  • Study of the flow around cofferdams constructed in running water through computational model Scientific/technical Article

    Dalmora, Cláudia Trevisol; Ota, José Junji

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O fechamento de rio para proporcionar área seca no leito é uma etapa importante durante a construção de uma obra hidráulica e deve ser executada com cuidado. Uma falha nesta etapa pode levar a um atraso sério e custoso no cronograma. Este trabalho estuda o comportamento do escoamento no entorno da ponta de aterro de ensecadeira construída em água corrente por meio da modelação computacional no software FLOW 3D®. A validação do modelo computacional foi realizada utilizando resultados de uma investigação experimental em modelo hidráulico reduzido. Em seguida, efetuou-se a análise do efeito da alteração da configuração da ponta de aterro nas características do escoamento nessa região. O estudo mostrou que o modelo computacional reproduz de forma adequada o tipo de escoamento em questão e que as alterações da geometria da ponta de aterro estudadas: aumento da largura da crista e diminuição da inclinação do talude da ensecadeira resultam na alteração da curvatura do escoamento na ponta de aterro e afetam positivamente o processo de fechamento do rio.

    Abstract in English:

    ABSTRACT River closure to provide a dry area for the construction of the works in the river bed must be carefully performed because a failure can lead to serious and costly delays. By means of a computational approach, using the FLOW 3D® software, this paper studies the hydraulic behavior of the flow around a cofferdam constructed in running water. The computational model was validated using results of an experimental investigation. Then the effect of changing the cofferdam configuration on the flow characteristics in this region was analyzed. This study showed that the computational model adequately reproduces this type of flow and that changing the configuration of the cofferdam: increasing the width of the crest or decreasing the embankment slope affects the flow curvature and positively affects the river closure process.
  • Cost-efficiency analysis of a runoff detention reservoir with integrated hydraulic and structural dimensioning Scientific/technical Article

    Baptista, Victor Santos Galvão; Paz, Adriano Rolim da

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO No Brasil, prevalece a urbanização dominada pela impermeabilização com aumento da incidência e magnitude de inundações. Uma alternativa para controle desse impacto é o reservatório de amortecimento de vazões ao nível do lote. A escolha do reservatório a adotar idealmente deve combinar os critérios hidráulicos/hidrológicos e estruturais/econômicos, embora haja uma lacuna na literatura quanto a esse tipo de análise integrada. Neste artigo é feita a análise custo-eficiência para seleção de um reservatório para controlar o escoamento captado por uma cobertura (4657 m 2), usando o método de Puls para o dimensionamento hidráulico e com base em normas técnicas de projeto de estruturas de concreto. Os resultados obtidos indicam que a redução em torno de 3% na eficiência teoricamente ideal (100%) do reservatório proporcionou uma queda de cerca de 36% no custo. Tal alternativa tem mais chance de se tornar atrativa e viável economicamente, mantendo praticamente o mesmo benefício para o sistema de drenagem pluvial a jusante. A análise de diferentes alternativas induziu a uma decisão entre nível de controle de saída do reservatório e custo que ressaltasse diferentes aspectos, e não apenas a minimização do custo ou a imposição de um nível de controle pré-definido de forma arbitrária.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In Brazil, urbanization-dominated imperviousness is prevalent, increasing the incidence and magnitude of floods. An alternative to control this impact is an on-site runoff detention reservoir. The choice of reservoir adopted should ideally combine hydraulic/hydrological and structural/economic criteria, although there is a gap in the literature regarding this type of integrated analysis. In this article, a cost-efficiency analysis is conducted to select a reservoir to control the runoff captured by a roof (4,657 m2) using the Puls method for hydraulic dimensioning and based on technical standards for the design of concrete structures. The results indicate that a decrease of approximately 3% in the theoretically ideal efficiency (100%) of the reservoir provided a 36% drop in cost. Such an alternative is more likely to become attractive and economically viable, with virtually the same benefits to the downstream stormwater drainage system. The analysis of different alternatives induced a decision between the level of control of the reservoir output and the cost that emphasized different aspects, focusing on more than the minimization of the cost or the imposition of a pre-defined control level in an arbitrary way.
  • Influence of the rain gauge network on the performance of a hydrological lumped model applied at different basin scales Scientific/technical Article

    Paula, Stefany Correia de; Tassi, Rutineia; Piccilli, Daniel Gustavo Allasia; Lorenzini Neto, Francisco

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Nesse estudo foi avaliada a influência da densidade e distribuição da rede de monitoramento pluviométrico no resultado de simulações diárias chuva-vazão de um modelo concentrado (IPH II), considerando bacias hidrográficas com diferentes escalas de drenagem: Rio Turvo (1.540 km2 ), Rio Ijuí (9.462 km2), Rio Jacuí (38.700 km2) e Alto Uruguai (61.900 km2). Para isso, foram construídos quatro cenários de cobertura pluviométrica: (I) 100% dos pluviômetros encontrados na bacia; (II) 75% dos pluviômetros; (III) 50% dos pluviômetros e; (IV) 25% dos pluviômetros. Adicionalmente, foi avaliado um cenário considerando a ausência de monitoramento, em que a precipitação utilizada na modelagem foi estimada pelo satélite TRMM. Verificou-se que, em algumas situações, a modelagem produziu melhores resultados para cenários com menores densidades de pluviômetros, desde que estes apresentassem melhor distribuição espacial. Comparativamente às simulações realizadas com a chuva estimada pelo TRMM, os resultados obtidos por pluviômetros foram superiores, mesmo em cenários com baixa densidade. Entretanto, quando a má distribuição dos pluviômetros esteve aliada à baixa densidade, a estimativa do satélite forneceu resultados superiores. Deste modo, conclui-se que a distribuição espacial da rede pluviométrica é importante na representação da precipitação e que as estimativas obtidas pelo TRMM podem se apresentar como alternativas para bacias com rede de monitoramento deficitária.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In this study was evaluated the influence of the rainfall monitoring network density and distribution on the result of rainfall-runoff daily simulations of a lumped model (IPH II) considering basins with different drainage scales: Turvo River (1,540 km2), Ijuí River (9,462 km2), Jacuí River (38,700 km2) and Upper Uruguay (61,900 km2). For this purpose, four rain gauge coverage scenarios were developed: (I) 100%; (II) 75%; (III) 50% and (IV) 25% of the rain gauges of the basin. Additionally, a scenario considering the absence of monitoring was evaluated, in which the rainfall used in the modeling was estimated based on the TRMM satellite. Was verified that, in some situations, the modeling produced better results for scenarios with a lower rain gauges density if the available gauges presented better spatial distribution. Comparatively to the simulations performed with the rainfall estimated by the TRMM, the results obtained using rain gauges’ data were better, even in scenarios with low rain gauges density. However, when the poor spatial distribution of the rain gauges was associated with low density, the satellite’s estimation provided better results. Thus, was conclude that spatial distribution of the rain gauge network is important in the rainfall representation and that estimates obtained by the TRMM can be presented as alternatives for basins with a deficient monitoring network.
  • Microbial contamination of groundwater in a swine fertigation area Scientific/technical Article

    Pahl, Camila Bolognes Couto; Lastoria, Giancarlo; Gabas, Sandra Garcia

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O uso de efluente de suínos como biofertilizante é alternativa ao uso de fertilizantes químicos e principalmente à demanda de água em estação seca. Porém, os estudos de fertirrigação normalmente se concentram na demanda da planta e nos parâmetros de nutrição do solo, principalmente físico-químicos. O trabalho objetivou avaliar o impacto da fertirrigação com dejeto suíno tratado na qualidade da água subterrânea em aquífero livre em dois lotes no Assentamento Campanário, São Gabriel do Oeste, MS, Brasil. Foram realizadas análises microbiológicas em amostras de água subterrânea de quatro piezômetros e dois poços de abastecimento usando o método Colilert de quantificação de coliformes totais e Escherichia coli. As amostras foram coletadas durante doze meses. Os resultados indicam contaminação das águas subterrâneas por bactérias do grupo coliforme, de acordo com os padrões de potabilidade e a distribuição espacial de fontes pontuais a uma área de espalhamento devido ao gradiente do fluxo de águas subterrâneas. Portanto, a desinfecção da água é fortemente recomendada para fins de consumo humano. Apesar da forte correlação com a contaminação microbiológica da água subterrânea, a fertirrigação com efluente de suínos não deve ser a única fonte de patógenos no aquífero freático. No entanto, elevados valores de coliformes totais nas amostras da estação seca podem ser atribuídas a esta atividade.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The use of swine effluents as a biofertilizer is an alternative to chemical fertilizers and to water demand in dry season. Nevertheless, fertigation studies usually focus on the plant demand and the soil nutrition parameters, mainly physic-chemical ones. This work aimed to evaluate the impacts of fertigation with swine effluents treated in the microbial quality of groundwater from the phreatic aquifer in two lots on Campanário settlement, on the city of São Gabriel do Oeste, MS, Brazil. Microbial analyses were carried out on groundwater samples from four piezometer and two supply wells using the Colilert system to quantify total coliform and Escherichia coli. Samples were collected during twelve months. The results indicate groundwater contamination by bacteria of the coliform group, according to the drinking water Brazilian standards and its spatial distribution from the point sources to a spreading area in accordance with groundwater flow. Therefore, water disinfection is strongly recommended for drinking purposes. Despite having a strong correlation with groundwater microbial contamination, especially in rainy season, fertigation with swine effluents seem not to be the only source of pathogens in the phreatic aquifer. However, high total coliform values in dry season samples could be assigned to the fertigation.
  • Sub-hourly rainfall patterns by hyetograph type under distinct climate conditions in Northeast of Brazil: a comparative inference of their key properties Scientific/technical Article

    Barbosa, Luís Romero; Almeida, Cristiano das Neves; Coelho, Victor Hugo Rabelo; Freitas, Emerson da Silva; Galvão, Carlos de Oliveira; Araújo, José Carlos de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A falta de procedimentos de classificação baseados em processos pode levar a uma projeção irreal de hietogramas devido à complexa oscilação das lâminas precipitadas quando assimiladas em altas resoluções temporais. Quatro anos consecutivos de dados pluviográficos sub-horários foram assimilados em três áreas de estudo (Guaraíra, GEB, São João do Cariri, CEB, e Aiuaba, AEB) sob climas distintos (semiárido muito quente e tropical úmido). O objetivo deste estudo foi definir os eventos chuvosos (para Tempo Mínimo entre Eventos, MIT, e Altura Mínima de Precipitação, MRD, iguais a 30 min e 1.016 mm, respectivamente), classificar seus tipos de hietograma (retangular, R, unimodal com pico oblíquo à esquerda, UL, oblíquo à direita, UR, e centrado, UC, bimodal, B, e disforme, SL), e comparar suas principais propriedades de precipitação (frequência, duração, altura, taxa e pico). Um processo de agregação de pulsos de precipitação permitiu remodelar os eventos SL para seis períodos de tempo variando de 2 a 30 min. Os resultados revelaram que a área costeira possuía predominantemente eventos R (64% de eventos e 49% de lâmina precipitada), no semiárido ocidental prevaleceram os eventos UL (57% de eventos e 63% de lâmina precipitada), enquanto no semiárido oriental a maioria foram os eventos R (61% de eventos e 30% de lâmina precipitada) semelhante à área costeira. Conclui-se que cada tipo de formação de nuvens teve efeitos importantes sobre as propriedades dos hietogramas, diferenciando-os até dentro do mesmo clima.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The lack of process-based classification procedures may lead to unrealistic hyetograph design due to complex oscillation of rainfall depths when assimilated at high temporal resolutions. Four consecutive years of sub-hourly rainfall data were assimilated in three study areas (Guaraíra, GEB, São João do Cariri, CEB, and Aiuaba, AEB) under distinct climates (very hot semi-arid and tropical wet). This study aimed to define rainfall events (for Minimum Inter-event Time, MIT, and Minimum Rainfall Depth, MRD, equal to 30 min and 1.016 mm, respectively), classify their hyetograph types (rectangular, R, unimodal with left-skewed, UL, right-skewed, UR, and centred peaks, UC, bimodal, B, and shapeless, SL), and compare their key rainfall properties (frequency, duration, depth, rate and peak). A rain pulse aggregation process allowed for reshaping SL-events for six different time spans varying from 2 to 30 min. The results revealed that the coastal area held predominantly R-events (64% events and 49% rainfall depth), in western semi-arid prevailed UL-events (57% events and 63% rainfall depth), whereas in eastern semi-arid mostly were R-events (61% events and 30% rainfall depth) similar to coastal area. It is concluded that each cloud formation type had important effects on hyetograph properties, differentiating them even within the same climate.
  • Different approaches to estimate the sediment yield in a tropical watershed Scientific/technical Article

    Colman, Carina Barbosa; Garcia, Karina Mendes Pinheiro; Pereira, Rodrigo Bahia; Shinma, Enio Arriero; Lima, Fernanda Ely; Gomes, Ariel Ortiz; Oliveira, Paulo Tarso Sanches

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Vários modelos de taxa de entrega de sedimento (SDR) são utilizados para estimar a produção de sedimentos (SY), principalmente em bacias com dados escassos ou não medidos, como em muitas regiões do Brasil. No entanto, é difícil escolher o modelo SDR mais adequado, principalmente devido à falta de estudos que utilizam dados observados. Aqui, investigamos o desempenho de cinco modelos SDR amplamente utilizados (SDREST) para estimar os valores de produção de sedimentos (SYEST) com base em dados observados em uma bacia hidrográfica tropical. Utilizamos valores de produção de sedimentos observados (SYOBS ) durante setembro de 2011 a julho de 2017 em três sub-bacias da Bacia do Guariroba, no Centro-Oeste do Brasil. Para estimar a perda média anual de solo, utilizamos a Equação de Perda de Solo Universal Revisada. Os valores de SDROBS e os SYOBS variaram de 5.56 a 10.54% e 940.76 a 5,400.32 t ano-1, respectivamente. O método Williams e Berndt (1972) apresentou o melhor desempenho, com porcentagem de tendência variando de -2.34 a 3.30% na estimativa SRD. Portanto, esse modelo forneceu estimativas SDR e SY adequadas, e pode ser útil para estimar SY em outras bacias hidrográficas tropicais com dados escassos ou não medidos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Several Sediment Delivery Ratio (SDR) models have been used to estimate Sediment Yield (SY), mainly in data-scarce and ungauged basins, such as in many regions of Brazil. However, it is difficult to choose the most suitable SDR model, mainly because of the lack of investigations of this approach using observed data. Here, we investigated the performance of five widely used SDR models (SDREST) to estimate sediment yield values (SYEST ) based on observed data in a tropical watershed. We used observed sediment yield values (SY OBS) during September 2011 to July 2017 in three sub-basins of the Guariroba Basin, Midwestern Brazil. To estimate the average annual soil loss, we used the Revised Universal Soil Loss Equation. The SDROBS and SYOBS ranged from 5.56 to 10.54% and 940.76 to 5,400.32 t yr-1, respectively. The Williams and Berndt (1972) method presented the best performance, with a percent bias ranging from -2.34 to 3.30% in SRD estimation. Therefore, this model provided suitable SDR and SY estimates, and may be useful to estimate SY in other tropical data-scarce and ungauged basins.
  • Decision support system for optimization of permits for wastewater discharge Scientific/technical Article

    Garcia, Joaquin Ignacio Bonnecarrère; Schardong, Andre; Porto, Rubem La Laina

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Este estudo desenvolveu um Sistema de Suporte a Decisão para auxiliar na concessão de outorga de lançamento de efluentes, através do qual é possível avaliar estratégias de outorga visando facilitar o processo de análise. O SSD em seu processo de análise utiliza algoritmos evolucionários para a otimização do processo de alocação de demandas e de carga efluentes, visando a maximização dos usos e a minimização dos custos das medidas de tratamento de efluentes, respeitando os limites estabelecidos pela classe de enquadramento dos corpos d’água. Entre as estratégias de outorga consideradas estão o atendimento da legislação ambiental para o lançamento de efluentes, a isonomia entre os usuários de mesma finalidade de uso, o atendimento aos padrões de qualidade estabelecidos pelo enquadramento dos corpos hídricos e as restrições impostas pelo órgão gestor aos usuários. Os resultados da SSD foram satisfatórios para às estratégias analisadas, pois atenderam às restrições e penalidades impostas à função objetivo. O principal objetivo das estratégias propostas é avaliar o desempenho do SSD na obtenção dos resultados, bem como analisar a flexibilidade dos algoritmos quando novas restrições e penalidades são introduzidas no processo decisório.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This paper presents a Decision Support System (DSS) to assist in the issuing of wastewater discharge and water abstraction rights, including the evaluation of alternative pollution control strategies used to facilitate the analysis and implementation of the instrument. The DSS substantiates its analysis with the use of evolutionary algorithms for the optimization of water demand and wastewater discharge allocation. It intends to maximize the uses and minimize the costs of wastewater treatment measures, according to the limits imposed by the water quality standards. Among the strategies considered for the issuing of permits were the compliance with environmental legislation for wastewater discharge, the equality between water users, the water quality standards set by the water bodies’ classification, and the restrictions imposed by the responsible controlling water agency. The DSS’s results were satisfactory to the strategies analyzed, as they complied with the restrictions and penalties imposed to the objective function. The main objective of the proposed strategies is to evaluate the performance of the DSS in getting the results, as well as to analyze the flexibility of the algorithms when new restrictions and penalties are introduced in the decision making process.
  • Manning’s roughness coefficient for the Doce River Scientific/technical Article

    Teixeira, Emmanuel Kennedy da Costa; Coelho, Márcia Maria Lara Pinto; Pinto, Eber José de Andrade; Diniz, Jéssica Guimarães; Saliba, Aloysio Portugal Maia

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O coeficiente de rugosidade Manning é utilizado em várias modelagens hidráulicas. Entretanto, a decisão sobre qual valor será adotado é uma tarefa complexa, principalmente se tratando de cursos d’água naturais, devido aos vários fatores que afetam esse coeficiente. Por isso, na maioria dos estudos realizados sobre o tema se adota uma abordagem local, como a proposta para o Rio Doce. Devido à importância regional deste rio no Brasil, o objetivo deste artigo foi estimar a rugosidade de Manning ao longo do Rio Doce, de forma a auxiliar em simulações hidráulicas, e também discutir as incertezas e as variações associadas a esse valor. Para isso, foram levantadas informações de vazões e profundidades da água em estações fluviométricas ao longo do rio. De posse dessas informações, calcularam-se os referidos coeficientes utilizando-se a equação de Manning, sendo que para isso utilizou-se o software Canal, e foram observadas suas variações espaço-temporal. Além disso, foi observado como as incertezas nas medições de vazões e de profundidades afetam o valor do coeficiente de Manning no caso estudado.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The Manning’s roughness coefficient is used for various hydraulic modeling. However, the decision on what value to adopt is a complex task, especially when dealing with natural water courses due to the various factors that affect this coefficient. For this reason, most of the studies carried out on the subject adopt a local approach, such as this proposal for the Doce River. Due to the regional importance of this river in Brazil, the objective of this article was to estimate the roughness coefficient of Manning along the river, in order to aid in hydraulic simulations, as well as to discuss the uncertainties and variations associated with this value. For this purpose, information on flow rates and water depths were collected at river flow stations along the river. With this information, the coefficients were calculated using the Manning equation, using the software Canal, and their space-time variations were observed. In addition, it was observed that the uncertainties in flow and depth measurements affect the value of the Manning coefficient in the case studied.
  • Managed aquifer recharge: study of undisturbed soil column tests on the infiltration and treatment capacity using effluent of wastewater stabilization pond Scientific/technical Article

    Coutinho, Jaqueline Vígolo; Almeida, Cristiano das Neves; Silva, Eduardo Bernardo da; Stefan, Catalin; Athayde Júnior, Gilson Barbosa; Gadelha, Carmem Lúcia Moreira; Walter, Florian

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A Recarga Gerenciada de Aquífero (RGA) é uma ferramenta útil para tratamento complementar aos convencionas, recarga de aquíferos, e contenção da intrusão salina. Este trabalho objetiva verificar a capacidade de infiltração e o tratamento do efluente de lagoa de estabilização, em colunas com amostras indeformadas de solo, retiradas em uma bacia hidrográfica litorânea de estudo do projeto BRAMAR (BRAzil Managed Aquifer Recharge). Para isso, a taxa de infiltração e eficiência de tratamento, através do monitoramento de parâmetros físico-químicos (DBO5, DQO, COD, SST, NH3 e NO3), foram medidas em 2 colunas, preenchidas com solo predominantemente arenoso, ao longo de 72 dias, em condição não saturada do solo, e uma vazão média de entrada de 10 mm h-1. Resultados mostraram remoção superior a 60% da matéria orgânica, sólidos suspensos e nitrogênio amoniacal. Todavia, foram detectadas altas concentrações de nitrato no filtrado que podem ser devido à nitrificação do nitrogênio amoniacal. Também foram observadas dificuldades quanto à colmatação do solo. Por fim, constataram-se importantes informações sobre a capacidade de infiltração e o tratamento de efluente de lagoa de estabilização usando colunas com amostras indeformadas de solo. Futuras pesquisas devem ser realizadas para aprimorar os métodos de pré-tratamento e de adequada operação da RGA na área de estudo.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Managed Aquifer Recharge (MAR) is a useful tool for the treatment and use of sewage effluent because it complements conventional treatment, recovers the aquifer and minimizes risk of saltwater intrusion. This study aims to investigate technical data to determine the treatment of wastewater stabilization pond effluent using undisturbed soil columns collected from a coastal watershed study area within the BRAMAR (BRAzil Managed Aquifer Recharge) project. The treatment efficiency was monitored by measuring physico-chemical parameters (BOD 5, COD, DOC, TSS, NH3 and NO3) in two columns filled with undisturbed sandy soil in which sewage effluent was infiltrated under unsaturated condition for 72 days with an average input flow of 10 mm h-1. Results indicated reduction greater than 60% of organic matter, suspended solids and ammoniacal nitrogen. However, high concentrations of nitrate in the outflow were detected originating from nitrification of ammoniacal nitrogen. Moreover, difficulties in relation to soil clogging were observed. Furthermore, this study brought relevant contributions to understanding the influence of the infiltration rate and ability to treat effluent from wastewater stabilization ponds using undisturbed soil columns. Future research should be undertaken to improve the pretreatment methods and the operation of a MAR system in the study area.
  • Regionalization of precipitation with determination of homogeneous regions via fuzzy c-means Scientific/technical Article

    Gomes, Evanice Pinheiro; Blanco, Claudio José Cavalcante; Pessoa, Francisco Carlos Lira

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O conhecimento da precipitação é indispensável para estudos hidrológicos e climáticos, que subsidiam projetos de sistemas de abastecimento de água, saneamento e drenagem; controle de inundações, erosão e reservatórios; produção agrícola e hidrelétrica, transporte hidroviário, entre outros. Nesse contexto, buscam-se metodologias para estimar a precipitação em locais sem monitoramento. Assim, os objetivos do trabalho são: i) identificar regiões homogêneas de precipitação na Região Hidrográfica Tocantins‑Araguaia (RHTA) via método fuzzy c-means; ii) regionalizar e estimar a probabilidade de ocorrências de precipitações médias mensais e anuais através de modelos de distribuição de probabilidades; e iii) regionalizar e estimar lâminas de precipitação através de modelos de regressão múltipla. Nesse caso, foram identificadas 3 regiões homogêneas de precipitação e os resultados dos parâmetros de desempenho dos modelos regionais de distribuição de probabilidades foram satisfatórios para estimativas de precipitações médias mensais e anuais. Os resultados dos modelos regionais de regressão múltipla revelaram que as precipitações médias anuais são estimadas satisfatoriamente. Já no caso de precipitações médias mensais, as estimativas dos modelos de regressão múltipla só foram satisfatórias quando os meses foram distribuídos em secos e chuvosos. Assim, constata-se que a metodologia desenvolvida pode ser aplicada para estimativas de precipitação em locais sem monitoramento da RHTA.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Knowledge about precipitation is indispensable for hydrological and climatic studies because precipitation subsidizes projects related to water supply, sanitation, drainage, flood and erosion control, reservoirs, agricultural production, hydroelectric facilities, and waterway transportation and other projects. In this context, methodologies are used to estimate precipitation in unmonitored locations. Thus, the objectives of this work are to i) identify homogeneous regions of precipitation in the Tocantins-Araguaia Hydrographic Region (TAHR) via the fuzzy c-means method, ii) regionalize and estimate the probability of occurrence of monthly and annual average precipitation using probability distribution models, and iii) regionalize and estimate the precipitation height using multiple regression models. Three homogeneous regions of precipitation were identified, and the results of the performance indices from the regional models of probability distribution were satisfactory for estimating average monthly and annual precipitation. The results of the regional multiple regression models showed that the annual mean precipitation was satisfactorily estimated. For the average monthly precipitation, the estimates of multiple regression models were only satisfactory when the months used were distributed in the dry and rainy seasons. Therefore, our results show that the methodology developed can be used to estimate precipitation in unmonitored locations in the TAHR.
  • Hydrological simulation uncertainties in small basins through the SWAT model Scientific/technical Article

    Venzon, Pedro Thiago; Pinheiro, Adilson; Kaufmann, Vander

    Abstract in Portuguese:

    ABSTRACT Hydrological modelling is one of the main tools in water resources management application. However, several factors make it difficult to extrapolate the estimated parameters in basins with large contribution areas to smaller basins. This research analysed the uncertainties of flow simulations in small basins. The methodological process involves the application of the hydrological simulation model, the soil and water assessment tools (SWAT) to the basin of the Concordia River (30.74 km2) and the Itajai River basin (15,000 km 2). First, six different scenarios of the hydrological response units’ (HRUs) discretisation were compared in the Concordia River basin calibration and validation, evaluating the number of HRUs influencing the small river basin simulation. Then, the model parameters for the Itajai River basin were calibrated in 12 fluviometric stations. Subsequently, the calibrated parameter variation trend was determined through the formulation of regression equations. These equations were developed from the correlation among the physical indices of each fluviometric station and their values. In the present study, the HRUs’ discretisation indicated there is no need to increase the number of HRUs when the goal is to represent the water flow peaks in the small river basin. The results obtained with the application of the regression equation showed the compactness coefficient (kC) could generate up to 42.1% of variation in the mean flow and 82.7% in Q95 of the sub-basins. Therefore, the use of regression equations can help reduce uncertainties generated during parameter calibration.

    Abstract in English:

    RESUMO A modelagem hidrológica é uma das principais ferramentas de apoio à gestão dos recursos hídricos. Entretanto, vários fatores dificultam a extrapolação dos parâmetros estimados em bacias com grandes áreas de contribuição para bacias de pequena dimensão. O objetivo deste trabalho foi analisar as incertezas na simulação de vazões em bacias de pequena dimensão. O processo metodológico envolveu a aplicação do modelo de simulação hidrológica Soil and Water Assesssment Tool (SWAT) à bacia representativa do ribeirão Concórdia (30,74 km 2) e à bacia do rio Itajaí (15.000 km2). Primeiramente, comparou-se 6 cenários distintos de discretização das unidades de respostas hidrológicas (HRUs) na calibração e validação da bacia hidrográfica do ribeirão Concórdia, avaliando-se a influência do número de HRU na simulação de pequena bacia hidrográfica. Em seguida, calibrou-se os parâmetros do modelo para a bacia do rio Itajaí, em 12 estações fluviométricas. Posteriormente, determinou-se uma tendência de variação dos parâmetros calibrados através da formulação de equações de regressão. Estas equações foram elaboradas a partir da correlação entre os índices físicos de cada estação fluviométrica considerada e seus valores. No presente estudo, a discretização das HRUs indicou que não há necessidade de aumentar o número de HRU quando o objetivo a ser alcançado é representar os picos do fluxo de água na pequena bacia hidrográfica. Os resultados obtidos com a aplicação das equações de regressão demonstraram que o coeficiente de compacidade (kC) pode gerar até 42,1% de variação na vazão média e 82,7% na Q95 das sub-bacias. Portanto, a utilização das equações de regressão pode auxiliar na redução das incertezas geradas durante a calibração dos parâmetros.
  • A coupled system based on Differential Evolution for the determination of Rainfall intensity equations Scientific/technical Article

    Gomes, Guilherme José Cunha; Vargas Júnior, Eurípedes do Amaral

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO As equações de chuvas intensas são fundamentais em estudos hidrológicos de projetos rodoviários, os quais requerem a definição da chuva de projeto para estimativa da vazão de projeto e o posterior dimensionamento da estrutura hidráulica. Neste trabalho, desenvolveu-se um sistema computacional para a obtenção da equação de chuvas intensas, a partir de otimização global via Evolução Diferencial. O sistema foi especialmente projetado para facilitar o ajuste do modelo de Gumbel na análise de frequência de séries anuais, bem como o ajuste do modelo da curva intensidade-duração-frequência, sem que o usuário necessite conhecimento prévio sobre os parâmetros de ambos os modelos. Simulações Monte Carlo via cadeia de Markov foram realizadas para avaliar a metodologia desenvolvida através da distribuição posterior dos parâmetros e da incerteza preditiva de ambos os modelos. Os resultados obtidos indicaram bons ajustes para os modelos de Gumbel e da equação de chuvas intensas com o uso da otimização global via Evolução Diferencial, uma vez que os parâmetros ótimos obtidos pelo sistema concordaram com o valor máximo a-posteriori oriundo das simulações Monte Carlo. Um estudo de caso envolvendo a obtenção da equação de chuvas em um estudo hidrológico de projeto rodoviário ilustram a usabilidade e aplicabilidade do sistema e da metodologia desenvolvida.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Rainfall intensity equations are fundamental in hydrological studies of road design, which require a project rainfall definition to estimate the project flow and the subsequent design of the hydraulic structure. This paper develops an integrated framework for rainfall intensity equations analyses from global optimization via Differential Evolution. The code was specially developed to facilitate the Gumbel model adjustment in the frequency analysis of annual series, as well as the intensity-duration-frequency model fit, without prior knowledge about the parameters of both models. The developed system was evaluated by using Markov chain Monte Carlo simulation, that search efficiently the model parameter space in pursuit of posterior samples and the posterior prediction uncertainty for both models. The results indicate that simulations are shown to be in good agreement with the measured flow and precipitation data. The optimal parameters obtained with the developed framework agreed with the maximum a-posteriori value of the Monte Carlo simulations. The paper illustrates explicitly the benefits of the method using real-world precipitation data collected for a hydrologic study of a highway design.
  • Hydrosedimentological modeling with SWAT using multi-site calibration in nested basins with reservoirs Scientific/technical Article

    Zanin, Paulo Rodrigo; Bonuma, Nadia Bernardi; Corseuil, Claudia Weber

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A calibração e validação de modelos hidrossedimentológicos, geralmente realizada na saída de uma única bacia, nem sempre representa de forma satisfatória os processos hidrossedimentológicos decorrentes nas diferentes subdivisões de sistemas fluviais represados. O objetivo do presente estudo foi avaliar as técnicas de calibração simples (saída da bacia hidrográfica) e multi-local (exutório da bacia hidrográfica e reservatórios internos) do balanço hídrico e sedimentológico em duas bacias embutidas com o modelo Soil and Water Assessment Tool - SWAT . Foram analisados três procedimentos de modelagem, ajustando os parâmetros hidrológicos e sedimentológicos da bacia hidrográfica e dos reservatórios. Verificou-se que (a) a calibração simples não representou corretamente os processos nos reservatórios; (b) a calibração multi-local simulou melhor a dinâmica hidrossedimentológica das bacias embutidas; e (c) as parametrizações do módulo de reservatórios do SWAT apresentam limitações no contexto da área de estudo. Os resultados mostraram que a calibração multi-local em bacias hidrográficas com reservatórios é mais adequada.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Calibration and validation of hydrosedimentological models, usually performed at the outlet of a single basin, does not always correctly represent the hydrosedimentological processes in the different subdivisions of dammed river systems. The aim of this study was to evaluate simple calibration techniques (watershed outlet) and multi-site calibration (watershed outlet and internal reservoirs) with the Soil and Water Assessment Tool - SWAT model, using two nested basins in the southern region of Brazil. Three modeling procedures were analyzed, adjusting the hydrological and sedimentological parameters of the watershed and the reservoirs. It was found that (a) the simplest calibration does not correctly represent the processes in reservoirs; (b) the multi-site calibration provided a better simulation of the hydrosedimentological dynamics of the nested basins; and (c) parameterizations of the SWAT reservoir module have limitations in the context of the study area. The results showed that the multi-site calibration in watershed with reservoirs is more appropriate.
  • Analysis of the effects of the stream confluence on the Alagoas Aqueduct Technical Note

    Lima, Jerônimo Leoni Leandro; Souza, Vladimir Caramori Borges de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O Canal do Sertão alagoano tem grande importância social e econômica para o Estado de Alagoas, sendo, portanto, importante a realização de investigações hidrodinâmicas em um trecho de complexidade relevante do sistema de drenagem das águas pluviais, sob parâmetros não analisados nos projetos básico e executivo, em uma região abrangida por um trecho do canal, nas proximidades do km 67. As análises conduzidas nesse trabalho tratam de três aspectos: i) verificar os riscos à qualidade da água escoada através do canal do sertão, aduzida a partir do rio São Francisco; ii) os riscos a estrutura do canal, junto a uma junção convergente entre o Riacho Seco e o afluente das bacias tributárias que escoam sobre uma estrutura de drenagem que atravessa o canal no km 67,280; e, iii) analisar a elevação do nível de água no interior da estrutura do over-chute 3 que será submergido por ocasião das cheias, e do trecho à montante da confluência ao longo do Riacho Seco, que se desenvolve por 620 m ladeando o canal, a uma distância média de 80 m em relação ao seu eixo, podendo elevar-se sobre o espaldar externo do dique esquerdo do canal. Assim, são analisados os possíveis efeitos causados pela confluência do Riacho Seco com a descarga das bacias tributárias através do over-chute 3, nas imediações do km 67,280 do canal adutor do sertão alagoano. A análise das elevações e seus possíveis riscos à qualidade da água e à estrutura do canal adutor, para diferentes cenários de cheias, foi realizada com a utilização do programa de modelagem hidrodinâmica HEC-RAS. Observou-se que há elevação da lâmina d’água nos riachos, nos trechos a montante da junção convergente e que para vazões com tempo de recorrência de 50 anos ou mais, a estrutura de drenagem sobre o canal adutor do sertão falha, havendo galgamento da água da drenagem para o interior do canal.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The project of the Canal do Sertão (Alagoas Aqueduct) is an important step toward social and economic development in the semiarid region of Alagoas State in Brazil. Therefore, a hydrodynamic assessment in the canal is necessary due to a complex drainage system under parameters that were not considered during the project design and execution, mainly along the reach km 67, where it is located a convergent confluence and an overchute structure. The analysis conducted in this study addressed three main aspects: i) verify possible risks to the water quality of the canal, pumped from São Francisco River; ii) evaluate scenarios with risks to the canal structure due a convergent confluence between Riacho Seco and the stream of the tributary basins, which flows over a drainage structure crossing the canal at km 67.28; and iii) analyze the water level elevation into the overchute structure, submerged during flood events, and the water level elevation in the upstream reach of the confluence of the Riacho Seco, with a length of 620 m parallel to the canal and separate by a distance of 80 m from each other, where the level may rise reaching the left levee of the canal. Thus, were assessed the potential effect of the Riacho Seco confluence with the flow discharge of the tributary basins on the overchute structure at km 67.28 of the Canal do Sertão. The analysis of the water elevation and its possible risks to the water quality and the canal structure for different flood scenarios were performed by using the hydrodynamics models HEC-HAS. It was noticed that there is an elevation of the water surface of the tributary streams in the upstream reaches of the convergent confluence and that the drainage structure over the canal do Sertão fails for flow discharge with a return period of 50 years or more, overflowing the water from the drainage system into the channel.
  • Viability of creating a water agency in the Grande river basin, Bahia Technical Note

    Alencar, Kalesson Martins de; Moreira, Michel Castro; Silva, Demetrius David da

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O trabalho foi desenvolvido a partir da análise da viabilidade de criação de uma Agência de Água na bacia hidrográfica do rio Grande, localizada no Oeste do Estado da Bahia. Foram aplicados à bacia os mecanismos de cobrança pelo uso de recursos hídricos de cinco diferentes Agências de Água do país. As simulações demonstraram a possibilidade de uma arrecadação anual média na bacia de mais de R$ 2,2 milhões, o que proporcionaria para custeio administrativo da agência, um valor mediano superior a R$ 160 mil anuais. Desse modo, considerando que o valor anual mediano do custeio administrativo das agências estaduais estudadas situa-se próximo a R$ 300 mil, a arrecadação proporcionada pelos mecanismos utilizados não viabilizaria, inicialmente, a criação de uma Agência de Água para a bacia hidrográfica do rio Grande. No entanto, a adoção de uma das agências de água existentes seria uma alternativa mais adequada de ser efetivada, em menor espaço de tempo, haja vista a estrutura técnica e operacional de funcionamento das agências atuais.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The work was developed from the analysis of the viability of creating a water agency in the Grande river basin, located in western Bahia, Brazil. The charging mechanisms of five different water agencies in Brazil were applied to the basin. The simulations showed the possibility of an average annual collection in the basin of over R$ 2.2 million, which would provide a median value above R$ 160,000 per year for administrative costs of the agency. Thus, considering that the median value of the annual administrative cost to state agencies is close to R$ 300,000, the collection provided by the mechanisms studied would not initially allow the creation of a water agency for the Grande river basin. However, the adoption of one of the existing water agencies would be a more appropriate alternative for the implementation during a shorter period of time, given the technical and operational structure within which the current agencies function.
  • New formula proposal for the determination of variable speed pumps efficiency Technical Note

    Costa, José Nilton de Abreu; Castro, Marco Aurélio Holanda de; Costa, Luís Henrique Magalhães; Barbosa, João Marcelo Costa

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O uso de bombas que funcionam com velocidade de rotação variável configura uma tática adequada para que sejam reduzidos os custos de energia nos sistemas de bombeamento. Na ocasião da mudança de velocidade, a bomba passa a trabalhar em novo regime de vazão, carga manométrica e valores de rendimento. Podem ser encontradas na literatura duas fórmulas empíricas para se estimar o rendimento final de uma bomba nessa situação. Este artigo objetiva avaliar a precisão dessas fórmulas e, em seguida, apresentar uma nova proposta para a estimativa do rendimento nas novas condições de operação. Escolheram-se 50 bombas e, para cada uma, as fórmulas mencionadas foram avaliadas em três procedimentos de redução de velocidade. A análise da precisão dessas equações foi realizada através da comparação dos rendimentos estimados por elas com os rendimentos calculados com o auxílio das leis de semelhança. Os resultados apontaram que, em 95 dos 150 procedimentos de análise realizados, a fórmula proposta apresentou estimativas mais precisas do que as outras duas fórmulas. Verificou-se, ainda, que a média de erro por procedimento da nova fórmula (1,60%) foi menor do que as médias das outras (1,93% e 2,22%). Em vista disso, a utilização da equação ora apresentada é considerada vantajosa uma vez que, a partir de suas estimativas mais acuradas de rendimento, os cálculos de potência e energia serão também mais precisos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The use of pumps which work with variable rotation speed consists of an appropriate tactics for reduction of energy costs in the pump systems. In case of change in speed, the pump starts to work in a new flow pattern, head and efficiency values. Two empirical formulas can be found in the literature in order to estimate the final efficiency of a pump in this situation. This article aims at assessing the accuracy of these formulas and, next, to present a new proposal for the efficiency estimate in the new operating conditions. 50 pumps have been chosen and, for each of them, the above-mentioned formulas have been assessed in three procedures of speed reduction. The analysis of these equations’ accuracy has been accomplished by means of the comparison between the efficiencies estimated by them with the efficiencies calculated with the aid of the affinity laws. The results indicated that, in 95 of the 150 analysis procedures accomplished, the formula proposed presented estimates which have shown to be more precise than the other two formulas. It has also been possible to verify that the average of error detected through the procedure of the new formula (1.60%) has been lower than the average of the other two (1.93% and 2.22%). In light of this fact, the use of the equation here presented is considered advantageous since, from their more accurate efficiency estimates, the calculations for power and energy are also more precise.
  • Experimental results for guidance and design criteria of horizontal end-dumping type river closure Technical Note

    Tomaschitz, Joice de Oliveira Petrecca; Mannich, Michael; Ota, José Junji

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A etapa de desvio de um rio envolve a construção de ensecadeiras, momento em que o material lançado fica exposto a grandes velocidades que pode provocar o seu arraste. Equações clássicas para dimensionamento relacionam o diâmetro médio do enrocamento (d), lançado em ponta de aterro e o desnível (ΔH) entre os escoamentos a montante e a jusante da ensecadeira, no momento do lançamento do material. Resultados de 283 ensaios realizados em modelos hidráulicos reduzidos permitiram a definição de uma relação consistente. Dentre os vários resultados de modelo, foram coletados apenas os referentes à condição limite de estabilidade do material. O resultado obtido foi d=0,33×∆H, consistente com o equacionamento clássico, validando, portanto, a sua aplicabilidade e utilização como orientação para projetos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The river diversion involves the construction of cofferdams when dumped material is exposed at high velocities, which may cause the drag of blocks. Classical equations relate the mean rock diameter to the drop of water surface between the upstream and downstream. Results of 283 experimental tests performed in hydraulic models allowed the definition of a relationship between water surface drop and mean diameter in the limit condition of stability. The result obtained was d = 0.33×ΔH, consistent with classical equations and validating their applicability, suggesting it use for design and analysis.
  • Influence of extreme hydrological events in the quality of water reservoirs in the semi-arid tropical region Technical Note

    Figueiredo, Aline do Vale; Becker, Vanessa

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Ambientes de águas interiores como lagos naturais e artificiais estão cada vez mais vulneráveis as ações dos eventos extremos (chuvas intensas, seca severa). O estudo tem como objetivo avaliar se esses eventos afetam a qualidade da água de mananciais do semiárido tropical. Os resultados do estudo mostraram que os reservatórios apresentaram mudanças significativas nas variáveis limnológicas entre os períodos de chuva e de seca severa. Entretanto, constataram-se comportamentos distintos entre os reservatórios no período de seca severa indicando que as respostas destes ambientes na problemática dos eventos extremos devem levar em consideração outros fatores como o clima da região, tamanho e profundidade do reservatório.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Inland water environments, such as natural and artificial lakes, are increasingly vulnerable to extreme events (heavy rains, severe drought). This study aims to evaluate if this events affect the water quality of tropical semi-arid springs. The results showed that the reservoirs presented significant changes in the limnological variables between the rainy season and severe drought periods. However, different behaviors were observed among reservoirs in the period of severe drought, which indicate that the responses of these environments to extreme events should take into account other factors such as the climate of the region, the size and depth of the reservoir.
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