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RBRH, Volume: 24, Published: 2019
  • Phosphorus and thermotolerant coliforms’ loads in Brazilian watersheds with limited data: considerations on the integrated analysis of water quality and quantity Scientific/technical Article

    Marques, Luis Otávio do Amaral; Taffarello, Denise; Calijuri, Maria do Carmo; Mendiondo, Eduardo Mario; Ferreira, Murilo de Souza; Cunha, Davi Gasparini Fernandes

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Análises integradas dos aspectos qualitativos e quantitativos de ambientes aquáticos robustecem a tomada de decisão, que se vincula ao gerenciamento dos recursos hídricos e à promoção dos serviços ecossistêmicos. Contudo, as possíveis vantagens desta integração ainda esbarram em aspectos básicos, como elevadas incertezas devido ao monitoramento parcial e não sincronizado entre vazões e concentrações. A escassez de dados tem limitado a fiel representação mais acurada de um regime hidrológico, este sujeito aos potenciais efeitos de uso de solo e do tamanho das bacias de drenagem. O objetivo da presente pesquisa foi apresentar uma discussão inicial sobre as vantagens da análise integrada de dados quali-quantitativos dos recursos hídricos. Para isso, em diferentes regimes de vazões específicas (L.s-1.km-2), foram avaliadas cargas de fósforo total (FT, t.dia-1.km-2) e coliformes termotolerantes (CT, UFC.dia-1.km-2) em rios com diferentes áreas de drenagem (27-26.500 km2) e usos do solo. Tais cargas foram comparadas com as cargas específicas admissíveis para essas variáveis, estimadas com base em vazões médias de longo período e padrões de qualidade. Dessa forma, a partir da compilação de dados de 2001-2013, buscou-se contribuir para a análise quali-quantitativa das águas superficiais, focando a discussão dos resultados em limiares críticos de duração e cargas e vazões críticas. Os resultados evidenciaram a existência de significativos intervalos de tempo com conflitos entre as cargas específicas admissíveis e observadas. Essa incompatibilidade variou entre 10 e 100% da duração do regime para o FT, e entre 25 e 100% para os CT, com situação mais crítica observada nos rios com menores áreas de drenagem. As cargas críticas variaram entre 1 10 -4 e 8 10-3 t.dia-1.km-2 (FT) e 1 10 -2 e 1 10-1 UFC.dia-1.km-2 (CT). Embora com um número de dados relativamente limitado (Ntotal=1.402), as expressivas variações das vazões e das cargas críticas evidenciam a necessidade de uma reflexão sobre como essa dinâmica afetaria a metodologia tradicional para estimativa de vazões ecológicas, hoje baseada em abordagem, quase exclusivamente, quantitativa.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Integrated analyses of the qualitative and quantitative aspects of aquatic ecosystems play an important role in decision making, which is linked to water resources management and promotion of ecosystem services. However, the possible advantages of such integration are still hampered by basic aspects, such as high uncertainties due to the partial and non-synchronized monitoring of discharges and observed concentrations of water quality variables. The lack of data has been limiting the adequate representation of a more accurate hydrological regime, which is in turn possibly affected by the potential effects of land use and size of drainage areas. The aim of this research was to discuss the advantages of the integrated analysis of qualitative and quantitative data from water bodies. Under different specific discharge regimes (L.s -1.km-2), we assessed the total phosphorus (TP, t.day-1 .km-2) and thermotolerant coliforms’ (TC, CFU.day-1.km -2) specific loads in rivers with different drainage areas (27-26,500 km 2) and land uses. We compared such loads with the admissible specific loads for these variables, which were estimated based on long-term average discharges and water quality guidelines (i.e., Brazilian environmental standards). Based on data from 2001-2013, we sought to contribute to the qualitative and quantitative analysis of surface waters, focusing on the discussion of the results on critical thresholds of duration and critical loads and discharges. The results showed the existence of significant time intervals with conflicts between the specific admissible and observed loads. This non-compliance varied between 10 and 100% of the duration of the regime for TP, and between 25 and 100% for TC, with a more critical situation observed in rivers with smaller drainage areas. The critical loads ranged from 1 10-4 to 8 10-3 t.day-1.km-2 (TP) and 1 10-2 to 1 10-1 CFU.day-1.km-2 (TC). Although a relatively limited dataset was considered (total N=1,402), the significant variations in discharges and critical loads highlighted the need for considering how these dynamics would affect the traditional methodology for estimating ecological flows, whose current approach is almost exclusively quantitative.
  • Initial abstraction ratio and Curve Number estimation using rainfall and runoff data from a tropical watershed Scientific/technical Article

    Valle, Luiz Claudio Galvão do; Rodrigues, Dulce Buchala Bicca; Oliveira, Paulo Tarso Sanches de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O método Curve Number (CN) é amplamente usado na predição do escoamento superficial a partir de eventos de chuva. No entanto, existem algumas incertezas no método tais como no uso da abstração inicial (λ) padrão igual a 0,2 e na escolha dos valores adequados de CN. Neste estudo, nós calculamos valores de λ e CN usando dados de chuva e vazão para uma bacia rural localizada no Centro-oeste do Brasil. Nós usamos 30 dados observados de eventos de chuva e vazão com precipitação maior que 25 mm para calcular valores de CN a partir de cinco métodos estatísticos. Encontramos valores de λ variando de 0,005 a 0,455, com uma mediana igual 0,045, sugerindo assim o uso de um valor de λ = 0,05 ao invés de 0,2. Encontramos uma taxa de conversão de S0,2 para S0,05 de 2,865. Também verificamos valores negativos de Nash-Sutcliffe Efficiency (para valores de escoamento superficial estimado e observado). Portanto, nossos resultados indicaram que o método CN não foi adequado para estimar o escoamento superficial na bacia estudado. Essa fraca performance sugere que os mecanismos de escoamento na área estudada sejam dominados pelo escoamento subsuperficial.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The Curve Number (CN) method is extensively used for predict surface runoff from storm events. However, remain some uncertainties in the method, such as in the use of an initial abstraction (λ) standard value of 0.2 and on the choice of the most suitable CN values. Here, we compute λ and CN values using rainfall and runoff data to a rural basin located in Midwestern Brazil. We used 30 observed rainfall-runoff events with rainfall depth greater than 25 mm to derive associated CN values using five statistical methods. We noted λ values ranging from 0.005 to 0.455, with a median of 0.045, suggesting the use of λ = 0.05 instead of 0.2. We found a S0.2 to S0.05 conversion factor of 2.865. We also found negative values of Nash-Sutcliffe Efficiency (to the estimated and observed runoff). Therefore, our findings indicated that the CN method was not suitable to estimate runoff in the studied basin. This poor performance suggests that the runoff mechanisms in the studied area are dominated by subsurface stormflow.
  • Mass balances of major solutes, nutrients and particulate matter as water moves through the floodplains of the Pantanal (Paraguay River, Brazil) Scientific/technical Article

    Oliveira, Marcia Divina de; Calheiros, Debora Fernandes; Hamilton, Stephen Kimber

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Na Bacia do Alto Paraguai, formadora do Pantanal Mato-grossense, uma das maiores áreas úmidas do mundo, os rios fazem a conexão entre o planalto e a extensa planície de inundação. Agropecuária, potencial erosivo associado a desmatamento elevado, efluentes urbanos e dezenas de barramentos hidrelétricos no planalto podem alterar o transporte de matéria e energia para a planície. Contudo o conhecimento sobre o transporte, principalmente de nutrientes, ainda é insuficiente para avaliar potenciais alterações. Neste estudo foi estimado o carreamento de materiais dissolvidos e em suspensão do planalto para o Pantanal e no seu exutório, o rio Paraguai, avaliando os fluxos e balanços de massa. O rio Paraguai e tributários foram amostrados durante sete anos, com frequência semestral ou mensal. O balanço hidrológico anual do Pantanal foi considerado quase completo, com déficit de apenas 11%, entre entrada e saída. A relação Previsto: Observado também indicou um balanço de massa praticamente completo para solutos dissolvidos e nutrientes, porém, com perdas significativas para sólidos suspensos e carbono. Apesar da extensa área de interação rios-planície, não foram observadas mudanças nas concentrações dos solutos suficientes para modificar o transporte de solutos através do Pantanal, o que indica equilíbrio entre os processos biogeoquímicos na planície.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In the upper Paraguay River basin, which includes the Pantanal, one of the largest wetlands in the world, rivers connection the surrounding upland plateaus with lowland floodplains. Agriculture, erosion, urban effluent, and hydropower in the uplands can alter the transport of materials by rivers to the Pantanal. Information about material transport, particularly nutrients, is still insufficient to evaluate changes. In this study we estimated rates of dissolved and suspended material transport from the upland watersheds into the Pantanal, and through the Paraguay River, and calculated mass balances of these flows to reveal net losses and gains inside the Pantanal. We sampled fifteen tributaries and the Paraguay River for seven years. The annual water balance in the basin was almost complete, with a deficit of only 11%. Predicted:Observed ratios close to one indicated a near balance between inputs and outputs for dissolved solutes and nutrients, however sedimentation losses of suspended solids and particulate carbon were significant. In spite of a high degree of river-floodplain contact, no significant changes on solutes concentrations were observed between inputs and outputs, enough to alter the transport of solutes though the Pantanal, indicating equilibrium in biogeochemical process on floodplain.
  • Experimentation and modeling of soil evaporation in underground dam in a semiarid region Scientific/technical Article

    Lafayette, Fernandha Batista; Montenegro, Suzana Maria Gico Lima; Coutinho, Artur Paiva; Soares, Willames; Antonino, Antônio Celso Dantas; Silva, Bernardo Barbosa da; Rabelo, Ana Emília Carvalho de Gusmão da Cunha

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Nas regiões semi-áridas, as altas taxas de evaporação interferem na disponibilidade de água no solo. Normalmente, é difícil medir e modelar a evaporação devido à complexidade dos métodos disponíveis, ao baixo teor de umidade do solo e à baixa concentração de vapor de água no ar. Isso também pode dificultar o monitoramento e a simulação da evapotranspiração nessas regiões. Assim, o método da Câmara Portátil (CP) é utilizado para medir diretamente a evaporação e a evapotranspiração em tempo real e em curtos intervalos de tempo, dando uma estimativa mais detalhada desses processos. O objetivo deste estudo foi avaliar a evaporação através da transferência de massa no solo numa barragem subterrânea sob diferentes profundidades e condições do lençol freático do ambiente semiárido do Estado de Pernambuco, nordeste do Brasil, através dos valores preditos pelo modelo SiSPAT e medidos pelo método de câmara portátil. Para o propósito da modelagem e também para conhecer melhor o comportamento do solo, as propriedades hidráulicas do solo foram determinadas pelo método de Beerkan. O método da Câmara Portátil apresentou resultados consistentes com o potencial de evaporação do solo nu no semiárido pernambucano/ Nordeste do Brasil, atingindo cerca de 1.800 mm por ano. O modelo SiSPAT foi bastante satisfatório para a simulação da evaporação do solo em diferentes condições da profundidade do lençol freático. Os valores encontrados para a evaporação do solo com a simulação do método SiSPAT e da Câmara Portátil (CP) diferiram em 1,43% e 4,44% para os casos em que o lençol freático estava em 0,20 e 1,20m de profundidade, respectivamente.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In semi-arid regions, there is a high evaporation, which leads to soil dryness, interfering in the availability of water in the soil. Usually it is difficult to measure and model the evaporation due to the complexity of the available methods, the low soil water content and the low concentration of water vapor in the air. This can also make it difficult to monitor and simulate the evapotranspiration in these regions. Thus, the Portable Chamber method is used to directly measure evaporation and evapotranspiration, because this technique allows real time estimation and in short time intervals, giving a more detailed estimation of those processes. The objective of this study was to evaluate the evaporation through the mass transfer in the soil in an underground dam under different water table depths and conditions of the semi-arid environment of Pernambuco State in Brazil, through the values predicted by the SiSPAT model and measured by the portable chamber method. For the purposing of modeling and also to better know the soil behavior, soil hydraulic properties were determined though the Beerkan method. The portable chamber method was applied for one of the first times in a semi-arid region of Northeastern Brazil, and it was consistent with the potential evaporation of bare soil, reaching about 1,800 mm per year. The SiSPAT model was quite satisfactory for simulation of soil evaporation in different conditions of the water table depth. The values found for soil evaporation with the simulation of the SiSPAT and the Portable Chamber (PC) method differed in 1.43% and 4.44% for cases where the water table was at 0.20 and 1.20m of depth, respectively.
  • Propagation of bichromatic-bidirectional waves Scientific/technical Article

    Silva, Mario Grüne de Souza e; Rosman, Paulo Cesar Colonna; Neves, Claudio Freitas

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Este trabalho tem por objetivo investigar as transformações sobre o nível médio da água e o tensor de tensão de radiação durante a propagação de ondas Bicromáticas e Bidirecionais (Bi-Bi) em um talude 1:22 e profundidades variando de 55 cm a 26 cm, simulando uma bacia de ondas em laboratório. Um modelo matemático escrito em Python foi utilizado para o cálculo daquelas grandezas para diferentes combinações de ângulos e períodos de ondas. A sobre-elevação e o rebaixamento do nível médio da água são fortemente dependentes da combinação de períodos e direções escolhidos para as ondas primárias, dado que elas refratam ao longo do talude, modificando assim a onda de infragravidade aprisionada. Os círculos de Mohr para o tensor de tensões de radiação mostraram mudanças significativas no diâmetro e no posicionamento do centro em diferentes pontos ao longo da bacia. As componentes da tensão de radiação para as ondas Bi-Bi são a soma das tensões associadas a cada onda primária e um termo não linear que resulta da interferência entre as ondas primárias. Ao se desconsiderar estes termos não-lineares pode-se causar consequências significativas sobre previsão da circulação hidrodinâmica.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This study aims to investigate the transformations experienced by the mean water level and radiation stress tensor during the propagation of Bichromatic-Bidirectional (Bi-Bi) waves on a slope of 1:22 and water depth varying from 55 cm to 26 cm, simulating laboratory conditions. A computer program written in Python was used to compute those quantities at different combinations of wave angles and periods. The setup and setdown of the mean water level are strongly dependent on the combination of periods and direction of the primary waves, as they propagate along the slope, modifying the bound infragravity wave. Mohr’s circles for the radiation stress tensor showed significant changes of diameter and center at different points along the basin. The radiation stress components for the Bi-Bi waves are the sum of the stresses associated with each primary wave and a nonlinear term which results from the interference between primary waves. Disregarding these nonlinear terms may significantly affect the nearshore hydrodynamics prediction.
  • Estimating design hydrographs at the basin scale: from event-based to continuous hydrological simulation Scientific/technical Article

    Fleischmann, Ayan Santos; Collischonn, Walter; Paiva, Rodrigo Cauduro Dias de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Hidrogramas de projeto são amplamente utilizados em engenharia hidrológica. Típicas aplicações adotam métodos baseados em eventos (EB), utilizando modelos chuva-vazão para converter hietogramas de projeto em hidrogramas. Incertezas incluem a definição de condições antecedentes e a premissa de equivalência entre tempos de retorno da chuva e hidrograma de projeto. Uma alternativa é utilizar métodos de simulação contínua (CS), forçando um modelo chuva-vazão com longas séries de precipitação e analisando diretamente as vazões estimadas. Para melhor compreender as incertezas e diferenças entre os métodos EB e CS, neste estudo aplicou-se um modelo hidrológico na bacia do rio Itajaí-Açu, sendo comparados um método tipo CS com 730 diferentes simulações do tipo EB, variando condições antecedentes e hietogramas de projeto (10 e 50 anos de tempo de retorno). Os resultados indicaram que vazões de projeto muito variadas podem ser obtidas com o método EB, sugerindo uma grande incerteza deste. Vazões máximas de 10 e 50 anos baseadas no método CS corresponderam a percentis entre 30% e 50% das estimativas via EB. Por fim, uma maior variação de vazões máximas ocorreu em sub-bacias com maior máximo armazenamento de água no solo.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Design hydrographs are widely used in practical hydrologic engineering problems. Typical applications adopt event-based (EBM) methods, using rainfall-runoff models to convert design hyetographs into design hydrographs. Uncertainties include the definition of antecedent conditions and the assumption of equivalence between hyetograph and hydrograph return periods. An alternative is to use continuous simulation (CSM) methods, by forcing a rainfall-runoff model with long precipitation series, and directly analyzing the output discharges. To better understand uncertainties in the EBM method and differences between CSM and EBM ones, we applied a hydrological model in the Itajaí-Açu river basin to compare a CSM method with 730 different simulations of an EBM one, considering different basin antecedent conditions and design hyetographs (10- and 50-years). Results indicated that the EBM method leads to a large range of design discharges depending on the antecedent condition. CS-based 10- and 50-years maximum discharges corresponded to percentiles between 30% and 50% of the EBM estimates. Higher discharge variation occurred in sub-basins with larger maximum soil water storage. Our conclusions agree with the literature, which points towards CSM-based methods to estimate design discharges.
  • Application of indices for water resource systems stress assessment Scientific/technical Article

    Faro, Guilherme Todt Cardoso de; Garcia, Joaquin Ignácio Bonnecarrère; Oliveira, Cristiano de Pádua Milagres; Ramos, Mara Regina Samensatto

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O presente artigo teve como objetivo apresentar uma metodologia para avaliação do estresse hídrico de sistemas de recursos hídricos por meio de índices. Neste caso, aplicou-se a metodologia proposta ao Sistema Cantareira, um dos principais sistemas produtores de água da Região Metropolitana de São Paulo (RMSP). Foram utilizados para esta avaliação o Normalized Deficit Index (NDI) e o Normalized Deficit Cumulated (NDC), que utilizam apenas os aportes naturais como fonte renovável de água (fornecimento), e consideram os usos naturais e antrópicos desta água (demandas), como forma de determinar o grau de dependência que a área apresenta tanto de fontes endógenas, quanto exógenas para suprimento das necessidades de abastecimento. Para subsidiar esta avaliação, utilizou-se de forma combinada dois índices que representam secas meteorológicas: o Standardized Precipitation Index (SPI) e Drought Magnitude (DM). A realização do diagnóstico de um sistema produtor, ou mesmo de um determinado país, região ou distrito, por meio de índices que refletem o risco hídrico, contribui para o melhor entendimento de eventos extremos, como secas e enchentes e, principalmente, auxiliam a tomada de decisões estratégicas na gestão de recursos hídricos local, indicando, por exemplo, eventuais necessidades de armazenamento ou importação de água de outras bacias, que contribuem para o aumento da segurança hídrica na unidade de avaliação.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This paper aims to present a methodology to conduct a water stress assessment of water resources systems through indices. The proposed methodology was applied to Cantareira System, which is one of the most important water supply systems of São Paulo Metropolitan Region (SPMR). The authors used two indices to support this evaluation: Normalized Deficit Index (NDI) and Normalized Deficit Cumulated (NDC). Both of them consider only the natural flow as the renewable source of water (supply), and account for natural and anthropic uses of this water (demand) as a way to determine the dependence level that the area relies on endogenous and/or exogenous sources of water to meet its needs. To support this assessment, two meteorological drought indices were used as well: the Standardized Precipitation Index (SPI) and Drought Magnitude (DM). The diagnosis of a water supply system, a country, region or even district, based on indices that represent the local water risk, is extremely important not only to bring a better understanding of extreme events, such as droughts and floods, but also to support strategic decision-making process regarding water resources management. This sort of assessment is a useful tool, for instance, in indicating eventual necessity of water storage, such as large reservoirs, or interbasin water transfers, which could improve the water security levels of the study unit.
  • Performance evaluation of flow duration curves regionalization methods Scientific/technical Article

    Piol, Marcos Vinícius Alpoin; Reis, José Antonio Tosta dos; Caiado, Marco Aurélio Costa; Mendonça, Antonio Sérgio Ferreira

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Este estudo teve como principal perspectiva avaliar as respostas dos métodos do Valores Característicos e da Curva Exponencial, alternativas disponíveis para a regionalização de curvas de permanência de vazões. O trabalho avaliou, adicionalmente, o emprego de indicadores regionais de vazão para a estimativa de vazões de referência associadas às curvas de permanência de vazões. A área de estudo abrangeu as bacias dos rios Itapemirim e Itabapoana, mais importantes cursos d’água da porção sul do estado do Espírito Santo. O Método dos Valores Característicos apresentou-se como o mais adequado para a regionalização da curva de permanência de vazões. Os indicadores regionais apresentaram-se como uma alternativa simples e consistente para obtenção de vazões de referência na área de estudo.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The main objective of the study was the evaluation of Characteristic Values and Exponential Curve methods as alternatives for flow permanence curves regionalization. Additionally, the use of regional flow indicators for the appropriation of reference flows associated with flow permanence curves was evaluated. The study area covered the Itapemirim and Itabapoana rivers watersheds, the most important located in the southern portion of the Espírito Santo state (Brazil). The Characteristic Values method presented best results in the flow permanence curves regionalization work. It was also concluded that the regional indicators represent a simple and consistent alternative for study area reference flows estimation.
  • COD removal from sucrose solution using hydrodynamic cavitation and hydrogen peroxide: a comparison between Venturi device and orifice plate Scientific/technical Article

    Alves, Paulo Henrique Lopes; Silva, Pedro de Souza Lopes; Ferreira, Deusmaque Carneiro; Gonçalves, Julio Cesar de Souza Inácio

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O objetivo deste estudo foi comparar a eficiência de remoção de DQO de um Venturi e de uma placa de orifício. Adicionalmente, a otimização da pressão de entrada dos dispositivos, o estudo da cinética da degradação, e o efeito sinérgico resultante da combinação da cavitação e H2O2 foram realizados. Um aparato experimental em escala laboratorial foi construído para atingir esses objetivos. Uma solução de sacarose e um efluente real de uma indústria de refrigerante, a base de sacarose, foram tratados. Os resultados mostraram que o Venturi atingiu 90% de remoção de DQO em apenas em três minutos de tratamento, com a pressão de 4,0 bar e proporção molar de sacarose: peróxido de 1:20. Enquanto que, para placa de orifício, uma eficiência de 90% foi atingida em 9 min, na pressão de 2,0 bar. A ordem de reação da cinética de degradação foi igual a 3,5, com exceção da maior pressão de entrada do Venturi (7,3 bar) na qual ocorreu coalescência das cavidades e a redução na velocidade de degradação. O coeficiente sinérgico (Sc) foi igual a 185,20, mostrando que o processo híbrido (HC + H2O2) é muito mais eficiente do que a cavitação isolada. A elevada concentração de DQO do efluente da indústria de refrigerante (2.512,8 mg L-1) foi degradada no Venturi com eficiência de 72%, sob uma pressão de entrada de 4,0 bar e baixa proporção (sacarose: peróxido de 1:10). O sistema de cavitação com dispositivo Venturi tem grande potencial para remover elevadas concentrações de matéria orgânica em um curto período de tratamento.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The aim of the current study is to compare the chemical oxygen demand (COD) removal efficiency of a Venturi device to that of an orifice plate. The inlet pressure in the devices was optimized and the degradation kinetics was analyzed. In addition, the synergistic effect resulting from the combination between cavitation and H2O2 was investigated. An experimental apparatus was built to achieve these goals. A sucrose solution and an effluent from a sucrose-based soft drink industry were treated. Results showed that the Venturi device recorded 90% COD removal efficiency after three treatment minutes. On the other hand, the orifice plate recorded 90% COD removal efficiency after 9 min. The degradation kinetics-reaction order was 3.5, except for the highest Venturi inlet pressure (7.3 bar), which led to coalescence of cavities and to reduced degradation rate. The synergistic coefficient (Sc) was 185.20 and showed that the hybrid process (HC + H2O2) was much more efficient than the cavitation process applied alone. The high COD concentration in the effluent generated by the soft drink industry (2,512.8 mg L-1) was significantly decreased by 72%. The combined use of cavitation and Venturi has significant potential to remove high organic matter concentrations in short treatment periods.
  • Surface-groundwater interaction in unconfined sedimentary aquifer system in the Brazil’s tropical wet region Scientific/technical Article

    Cavazzana, Guilherme Henrique; Lastoria, Giancarlo; Gabas, Sandra Garcia

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Sendo as águas subterrânea e superficial importantes componentes do sistema hidrológico, a determinação da sua interação é imprescindível para a gestão eficiente dos recursos hídricos por prognosticar as consequências de interferências, seja devido ao crescimento da demanda, seja devido às mudanças climáticas. Todavia, estudos científicos integrados destes meios hídricos são escassos, inclusive na Área de Proteção Ambiental do córrego Guariroba, responsável pelo abastecimento de 31,3% dos habitantes de Campo Grande/MS, representando elemento de segurança hídrica local. Assim, este trabalho teve como objetivo avaliar a interação entre as águas superficial e subterrânea em um sistema aquífero sedimentar não confinado, a partir de metodologias de separação de hidrograma de vazões diárias, da análise das Flow Duration Curve (FDC), da avaliação da Master Recession Curve (MRC) e da verificação das variações das vazões superficiais, dos níveis piezométricos (NP) dos poços e das precipitações mensais. Os resultados indicam uma relação proporcional entre as precipitações, as vazões superficiais e a variação dos NP, a inclinação pouco acentuada da FDC sugere que a vazão de base é sustentada pela descarga subterrânea por corresponder a 89% da vazão total; o índice de low-flow indica que a capacidade de armazenamento subterrâneo é de cerca 80%; o Índice de Vazão de Base (Base-Flow Index – BFI) variando de 0,804 a 0,921, indica um regime de vazão estável, condições de alta permeabilidade do aquífero, embora não uniforme, e de baixo escoamento de superficial.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Since groundwater and surface waters are important components of the hydrological system, determining their interaction is essential for the efficient management of water resources by predicting the consequences of interference, whether due to the growth of demand or due to climate change. However, integrated scientific studies on these water resources are scarce, including in the Guariroba’s Environmental Protection Area, responsible for supplying 31.3% of the Campo Grandem/MS’s population, representing a local water security element. Thus, this work had as objective to evaluate the interaction between surface-groundwater in an unconfined sedimentary aquifer system, based on hydrograph separation methodologies of base flow, Flow Duration Curve (FDC) analysis, Master Recession Curve (MRC) evaluation and verification of the relationship between the surface flow, piezometric levels (PL) of the wells and the monthly precipitation. The results indicates a proportional relationship between rainfall, superficial flow and PL variations; the FDC smooth slope suggests that the baseflow is sustained by the groundwater discharge, corresponding to 89% of the total flow; the low-flow index indicates that the groundwater’s storage capacity is about 80%; the Base-Flow Index (BFI) ranging from 0.804 to 0.921, indicates a stable flow regime, aquifer’s high permeability conditions, though not uniform, and low runoff.
  • Relevant parameters for characterizing mountain rivers: a review Scientific/technical Article

    Paixão, Maurício Andrades; Kobiyama, Masato

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Rios montanhosos estão presentes em uma grande porção dos territórios do planeta, especialmente nas regiões de cabeceiras, e vêm sendo utilizados para diversos fins, tais como recreação e atividades desportivas, mananciais de água e geração de energia hidrelétrica. Entretanto, suas características hidrogeomorfológicas ainda não são plenamente conhecidas. Neste contexto, o presente trabalho abordou os parâmetros relevantes necessários para caracterização de rios nestes ambientes a partir de revisão bibliográfica, em que se buscou avaliar o modo como os rios estavam sendo caracterizados e quais parâmetros hidrogeomorfológicos estavam sendo analisados em diferentes classificações. Os parâmetros mais comumente utilizados na caracterização de rios montanhosos são a declividade do canal, a relação entre largura e profundidade do rio, o grau de entrincheiramento do canal, a vazão, a carga de sedimentos e a granulometria dos sedimentos. Ainda, avaliou-se o cenário brasileiro no que tange a pesquisa em hidrogeomorfologia fluvial em rios montanhosos, constatando-se a necessidade de realizar mais atividades em campo para melhor entendimento da dinâmica fluvial montanhosa e caracterização fluvial.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Mountain rivers are situated in a large portion of the terrestrial surface, especially in headwaters regions, and have been used for various purposes such as recreation, sporting activities, water resources and hydroelectric power generation. However, hydrogeomorphic characteristics of mountain rivers are not fully understood. In this context, the present paper aimed to identify relevant parameters for characterizing rivers in these environments based on bibliographical review. It was identified which parameters have been used and how they have been used to characterize mountain rivers in distinct classifications. The most cited parameters were channel gradient, relation between river width and depth, entrenchment ratio, discharge, sediment transport and grain-size distribution. Also, the current situation related to researches in fluvial geomorphology in mountain rivers in Brazil was evaluated, and the strong need of field survey as basis for the best understanding of mountain fluvial dynamics and characterization was verified.
  • Spatial discretization influence on flood modeling using unit hydrograph theory Scientific/technical Article

    Steinmetz, Alice Alonzo; Beskow, Samuel; Terra, Fabrício da Silva; Nunes, Maria Cândida Moitinho; Vargas, Marcelle Martins; Horn, João Francisco Carlexo

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O Hidrograma Unitário (HU) é o método mais popular para aplicações relacionadas a cheias. Existem vários modelos conceituais e geomorfológicos baseados no HU e acoplados a diferentes discretizações espaciais. No entanto, existem poucos estudos sobre a avaliação de modelos de HU de acordo com abordagens semi-distribuídas. O objetivo deste estudo foi avaliar a influência da modelagem concentrada e semi-distribuída na aplicabilidade do HU do Soil Conservation Service (HU SCS) e do HU Instantâneo de Clark (HUI de Clark) na estimativa de hidrogramas de cheias. Os procedimentos metodológicos foram conduzidos no Hydrologic Modeling System (HEC-HMS) utilizando os eventos chuva-vazão de uma bacia hidrográfica monitorada no sul do Brasil. As principais conclusões foram: a) o HUIC na abordagem semi-distribuída proporcionou desempenho ligeiramente superior; b) o HUIC foi capaz de estimar efetivamente os hidrogramas de escoamento superficial direto mesmo para eventos de chuva de longa duração; c) o HU SCS apresentou hidrogramas mais precisos para modelagem concentrada; d) o algoritmo de Nelder e Mead pode ter aplicação limitada.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The Unit Hydrograph (UH) is the most popular method for flood related applications. There are several conceptual and geomorphological models based on UH and coupled with different spatial discretizations. However, there are few studies concerning the evaluation of UH models according to semi-distributed approaches. This study aimed to assess the influence of lumped and semi-distributed modeling on the applicability of Soil Conservation Service UH (SCS UH) and Clark’s Instantaneous UH (Clark’s IUH) for estimation of flood hydrographs. The methodological procedures were conducted in the Hydrological Modeling System (HEC-HMS) using rainfall-runoff events of a gauged watershed in Southern Brazil. The main conclusions were: a) CIUH under the semi-distributed approach provided slightly superior performance; b) CIUH was able to effectively estimate the direct surface runoff hydrographs even for long duration rainfall events; c) SCS UH presented more accurate hydrographs for lumped modeling; d) the Nelder and Mead algorithm may have limited application.
  • Evaluation of the energy extraction of a small-scale wave energy converter Scientific/technical Article

    D’Aquino, Carla de Abreu; Scharlau, Cesar Cataldo; Vecchia, Leonardo Casagrande Dalla

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Este trabalho tem foco em propostas que podem incentivar o desenvolvimento de dispositivos integrados de pequena escala para atender o desafio global de fornecer energia elétrica a partir de fontes alternativas sem maiores intervenções. O artigo apresenta a avaliação de um dispositivo de extração de energia das ondas em pequena escala que pode ser instalado em estruturas marinhas próximas da costa como, por exemplo, uma, uma plataforma de pesca. O dispositivo é caracterizado por um pequeno conversor do tipo coluna de água oscilante composto por tubos fixados aos pilares da estrutura. O modelo matemático desse conversor foi desenvolvido e é baseado em dois componentes principais. O primeiro utiliza a teoria linear de ondas para descrever a variação do nível de água dentro do tubo como resultado da passagem da onda. O segundo considera o fluxo de ar convertido para conjugado mecânico, utilizando as equações de uma turbina Wells. Foram realizadas simulações para diferentes profundidades e parâmetros de ondas com objetivo de avaliar a relação entre entrada e a saída de energia ao longo de um ano. Para o estudo de caso apresentado neste artigo, foi observado que o desempenho será melhor quando o dispositivo estiver instalado em locais onde as ondas são menos influenciadas pela fricção com o fundo, mas ainda apresentam o incremento na altura de ondas.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This work aims to focus on proposals that could stimulate the development of small scale integrated devices for the global challenge to provide electric energy from renewable alternative resources without major interventions. It presents an evaluation of a small-scale wave energy extraction system that can be installed in marine near shore structures, such as fishing piers. The system is characterized by a small oscillating-water-column (OWC) converter composed by tubes tied to the pillars of the structure. A mathematical model of the OWC device was developed. The model relies on two main components. The first uses linear wave theory to describe the water level variation inside the tube as a result of a wave passing by. The second considers the air flux converted to mechanical torque using Wells turbine equations. The simulations were carried out for different water depths and wave parameters, to evaluate the ratio between the input and output energy throughout the year. For the case study presented in this paper, the performance would be better as long as the device is placed in a position where the waves are less influenced by the bottom friction, but it still has the necessary increment of the wave height.
  • Data assimilation using the ensemble Kalman filter in a distributed hydrological model on the Tocantins River, Brasil Scientific/technical Article

    Jiménez, Karena Quiroz; Collischonn, Walter; Paiva, Rodrigo Cauduro Dias de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Neste trabalho, o método de assimilação de dados por filtro de Kalman por conjunto (EnKF) é aplicado na bacia do rio Tocantins. Esse método atualiza as vazões do rio usando um modelo hidrológico distribuído. O desempenho de EnKF é também comparado com um método de assimilação empírico a intervalos de tempo horário, onde duas aplicações baseadas em transferência de informação de locais monitorados para não monitorados e previsão de vazão em tempo real são avaliadas. Na primeira aplicação, ambos os métodos de assimilação de dado conseguem transferir vazões a outros locais não monitorados, obtendo melhores resultados quando mais de uma estação localizada a montante ou a jusante da bacia são monitoradas. Na segunda aplicação, a integração de um modelo de previsão com EnKF consegue absorver os erros no início da previsão. Dessa forma, uma maior eficiência no índice de Nash-Sutcliffe para as primeiras 144 horas de antecedência é encontrada quando se compara com os resultados do modelo sem assimilação. Finalmente, a comparação entre os métodos de assimilação de dados no modelo de previsão mostra uma maior vantagem a favor de EnKF em maiores horizontes de previsão.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In this work, the data assimilation method namely ensemble Kalman filter (EnKF) is applied to the Tocantins River basin. This method assimilates streamflow results by using a distributed hydrological model. The performance of the EnKF is also compared with an empirical assimilation method for hourly time intervals, in which two applications based on information transfer from gauged to ungauged sites and real time streamflow forecasting are assessed. In the first application, both assimilation methods are able to transfer streamflow to ungauged sites, obtaining better results when more than one station located upstream or downstream of the basin are gauged. In the second application, integration of a real time forecast model with EnKF is able to absorb errors at the beginning of the forecast. Therefore, a greater efficiency in the Nash-Sutcliffe index for the first 144 hours in advance in relation to its counterpart without assimilation is obtained. Finally, a comparison between both data assimilation methods shows a greater advantage for the EnKF in long lead times.
  • Application of SAC-SMA and IPH II hydrological models in the Teles Pires River basin, Brazil Scientific/technical Article

    Uliana, Eduardo Morgan; Almeida, Frederico Terra de; Souza, Adilson Pacheco de; Cruz, Ibraim Fantin da; Lisboa, Luana; Sousa, Marionei Fomaca de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A parametrização e a análise do desempenho de um modelo hidrológico permitem sua consolidação para avaliação de estratégias de gerenciamento de recursos hídricos e para previsão de eventos extremos. Nesse contexto, o objetivo do trabalho foi avaliar o desempenho dos modelos chuva-vazão Soil Moisture Accounting (SAC-SMA) e IPH II para predição de vazões na bacia do rio Teles Pires, localizada na região amazônica do estado de Mato Grosso, Brasil. Os modelos foram calibrados de forma automática com o algoritmo Shuffled Complex Evolution (SCE-UA) e validados para cinco seções de monitoramento de vazão. Os resultados mostraram que ambos os modelos são adequados na modelagem de vazões diárias na bacia do rio Teles Pires e que apresentam melhor desempenho para estimativa de vazões em bacias com maior área de drenagem. Além disso, conclui-se que a complexidade de um modelo hidrológico chuva-vazão não é necessariamente sinônimo de melhores estimativas. Apesar de o modelo SAC-SMA ser mais complexo e apresentar maior detalhamento dos processos hidrológicos, ele não conseguiu superar o desempenho do IPH II em todas as seções de monitoramento de vazão do rio Teles Pires.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Parameterization and performance analysis of a hydrological model allow its consolidation, so that water-resource management strategies could be evaluated and extreme events forecast. In this context, this study aimed to evaluate the performance of the Sacramento Soil Moisture Accounting (SAC-SMA) and IPH II models for runoff estimation in the Teles Pires River basin, which is located in the Amazon region, State of Mato Grosso, Brazil. Both models were automatically calibrated using Shuffled Complex Evolution algorithm (SCE-UA) and validated for five runoff monitoring units. Our results showed that both are suitable for daily runoff modeling in the Teles Pires River basin with higher performance in larger drainage area basins. We can also infer that the simple use of complex rainfall-runoff models might not provide improved estimates. Although the SAC-SMA is the most complex and detailed model for hydrological processes, it has not outperformed IPH II in any of the monitoring units in the Teles Pires River.
  • Modified NRCS-CN-TUH methods for distributed rainfall-runoff modeling Scientific/technical Article

    Costa, Fagner França da; Paz, Adriano Rolim da; Piccilli, Daniel Gustavo Allasia

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Pela facilidade de aplicação, os métodos CN e Hidrograma Unitário Triangular (HUT) são muito usados em projetos de obras hidráulicas. Este trabalho adapta tais métodos para incorporar a variabilidade espacial das características físicas da bacia hidrográfica. O tempo de viagem (tv) do escoamento é computado do MDE e os métodos CN e HUT são adaptados para obter respostas por pixel. Apresenta-se aplicação na bacia hidrográfica Cascata I (Porto Alegre – RS), com duas variantes: i) HUTexu - tv calculados desde cada pixel até o exutório; ii) HUTjus - tv computados de um pixel para o imediato a jusante. A metodologia mostrou potencial para a modelagem hidrológica de eventos chuvosos em pequenas bacias hidrográficas, visando obter subsídios para a gestão da drenagem, tendo em vista a caracterização dos comportamentos diferenciados na bacia quanto às velocidades e capacidades para gerar escoamento. Por outro lado, observou-se subestimativa das vazões de pico e tempos de pico. Taxas de abstração inicial do método CN menores do que a originalmente prescrita foram mais realistas, concordando com estudos recentes. Há necessidade do aprimoramento da metodologia para as características das bacias brasileiras, indo além da simples adaptação das equações clássicas do método CN para forma distribuída.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Due to the relative ease of application, the CN and the Triangular Unit Hydrograph (TUH) methods are commonly used in hydraulic facilities design. This work adapts these methods to incorporate the spatial variability of the physical characteristics of the catchment. The flow travel time (tv) is computed from the DEM and the CN and TUH methods are adapted to produce results on a pixel basis. This methodology is applied to the Cascata I catchment (Porto Alegre - RS), considering two variants: i) TUHout - tv calculated from each pixel up to the catchment outlet; ii) TUHdown - tv computed from one pixel to the immediate downstream. The proposed methodology showed potential to be used for hydrologic modeling of rainfall events in small catchments, as an alternative for providing information useful for urban drainage management, as the characterization of catchment areas with distinct behavior regarding velocities and potential for runoff generation. On the other side, the results showed an underestimation of peak discharges and time to peak. Initial abstraction losses of the CN method lower than the one originally prescribed provided more realistic results, in agreement to recent studies. There is the need for an improvement of the methodology for the characteristics of the Brazilian catchments besides the simple adaptation of the classical equations of the CN method to its distributed form.
  • Three-dimensional numerical simulation of flow in vertical slot fishways: validation of the model and characterization of the flow Scientific/technical Article

    Sanagiotto, Daniela Guzzon; Rossi, Júlia Brusso; Lauffer, Luísa Lüdtke; Bravo, Juan Martín

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO As escadas para peixes com ranhuras verticais permitem que ocorra a dissipação da energia do escoamento em função da forma da bacia, dos defletores, da declividade longitudinal e da largura da ranhura vertical. Estas estruturas devem apresentar padrões médios e turbulentos do escoamento compatíveis com os peixes que irão transpô-la. Tipicamente a concepção das escadas para peixes é baseada na utilização de geometrias empregadas com sucesso em situações anteriores e a estimativa das características do escoamento através de equações teóricas simplificadas e relações empíricas. Para contribuir na concepção dessas estruturas, foi utilizado um modelo hidrodinâmico tridimensional para simular o escoamento e estudos experimentais para validar o modelo. Velocidades médias, pressões e parâmetros indicativos da turbulência foram analisados. As velocidades máximas do escoamento foram até 32% superiores aos valores obtidos utilizando uma equação teórica simplificada. A avaliação da potência dissipada por unidade de volume indica que o valor médio para o tanque é inferior a 150 W/m3, no entanto, a análise da distribuição espacial desta grandeza no tanque, mostra que valores pontuais podem ultrapassar 1000 W/m3. Os resultados indicam que a simulação numérica foi capaz de representar de forma adequada o escoamento, considerando o custo computacional envolvido e pode ser utilizada como uma ferramenta complementar para o projeto de novas escadas para peixes e para a análise de modificações em estruturas existentes.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Vertical slot fishways allow energy dissipation as a function of the pool, longitudinal slope, baffle and vertical slot design. The mean and turbulent flow patterns in these structures must be compatible with the fish target. The design of these structures is commonly based on previous successful fishways as well as simplified theoretical equations and empirical relationships. To aid in the design of these structures, a three-dimensional hydrodynamic model was used to simulate the flow, and experimental studies were used to validate the model. The mean velocities, pressures and parameters indicative of turbulence were analyzed. The maximum flow velocities were up to 32% higher than the values obtained using a simplified theoretical equation. The evaluation of the volumetric dissipated power indicated that the mean value for the pool was lower than 150 W/m3; however, analysis of the spatial distribution showed that in some areas, the values can exceed 1000 W/m3. The results indicate that the numerical simulation was able to adequately represent the flow considering the computational cost involved. Accordingly, it can be used as a complementary tool for the design of new fishways and for the analysis of modifications in existing ones.
  • Cumulative changes in water quality caused by six cascading hydroelectric dams on the Jauru River, tributary of the Pantanal floodplain Scientific/technical Article

    Silva, Antônio Carlos Coelho da; Fantin-Cruz, Ibraim; Lima, Zoraidy Marques de; Figueiredo, Daniela Maimoni de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O presente estudo avalia as alterações na qualidade da água, individuais e cumulativas, de seis hidrelétricas (HPP) em cascata, que estão em operação no Rio Jauru, um afluente direto do rio Paraguai, o principal rio da planície de inundação do Pantanal, além de apresentar uma caracterização geral da qualidade da água do Rio Jauru. A qualidade da água foi avaliada em oito locais ao longo do gradiente longitudinal do rio Jauru. Foram avaliadas um total de 339 amostras de qualidade de água entre 1990 e 2013, sendo que 72 representam a fase antes da instalação e 267 amostras a fase de após a instalação das HPP. O software Statistica 7 foi utilizado para tratamento estatístico e Kruskal-Wallis para o teste não paramétrico; foi adotado também a Correlação de Pearson ao quadrado (coeficiente de determinação, R2) para avaliar a relação entre os parâmetros morfológicos e hidráulicos de cada reservatório e cumulativamente, com a taxa de variação dos parâmetros de qualidade da água em três trechos do rio Jauru. A qualidade da água do Rio Jauru, em geral, foi caracterizada por baixas concentrações de eletrólitos e pH levemente ácido, oligotrofia, redução de cor, turbidez e sólidos e boa oxigenação. Apesar dessas condições gerais terem se mantido nas duas fases estudadas, verificou-se a ocorrência de mudança no padrão de variação das condições físico-químicas avaliadas, principalmente entre o segundo e o quinto reservatório hidrelétrico. Essa mudança, que implica na descontinuidade no gradiente longitudinal, foi indicada por nove dos doze parâmetros medidos nesse trecho do Rio Jauru, a jusante de cada reservatório individual e/ou cumulativamente. As características construtivas das usinas hidrelétricas, especialmente a altura da tomada d´água, o tempo de retenção e a área alagada, bem como a proximidade entre dois ou mais reservatórios, são fatores que influenciaram as mudanças observadas e são aspectos importantes a serem considerados nos processos de licenciamento ambiental de futuras hidrelétricas, ou mesmo, em alguns casos, para evitar que sejam construídas como planejado. Esta pesquisa indicou ainda a necessidade de estudos que considerem a bacia hidrográfica de forma integrada e de efetuar uma coleta de dados mais consistentes antes que esses represamentos sejam implementados.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The present study examines the individual and cumulative environmental effects of the six cascading hydroelectric dams currently in operation on in the Jauru River, a direct tributary of the Paraguay River, the main river in the Pantanal, as well as presenting a general characterization of water quality in the Jauru River. Water quality was evaluated at eight sites along the longitudinal gradient of the Jauru River. A total of 339 water quality samples from between 1990 and 2013 were considered, including 72 samples collected prior to the installation of Hydropower plants, treated as natural, and 267 samples, treated as altered . Statistica 7 software was used for statistical treatment and for the Kruskal-Wallis nonparametric test; squared Pearson correlation (coefficient of determination, R 2) was also applied to evaluated the relationship between the morphological and hydraulic parameters of each reservoir and cumulatively, with the rate of change of water quality parameters in three stretches of the Jauru River. The water quality of the Jauru River in general was characterized by low concentrations of electrolytes and slightly acidic pH, oligotrophy, reduced values of color, turbidity and solids and good oxygenation. While these general conditions were maintained over the two phases studied, we verified the occurrence of change in the pattern of variation of the physical and chemical conditions evaluated, mainly between the second and the fifth hydroelectric reservoir. This change, which implies discontinuity in the longitudinal gradient, was indicated by nine out of the twelve parameters measured in this stretch of the Jauru River, downstream of each individual reservoir and/or cumulatively. The constructive characteristics of the hydropower plants, especially water inlet height, water retention time and flooded area, as well as the proximity between two or more impoundments, are factors that influenced the observed changes, which are important aspects in the processes of environmental licensing for these future plants, or even, in some cases, to avoid them from being built at all as planned. This research also indicated the need for studies that consider the basin in an integrated way, and for the collection of more consistent data before these impoundments are implemented.
  • Automatic calibration of a large-scale sediment model using suspended sediment concentration, water quality, and remote sensing data Scientific/technical Article

    Fagundes, Hugo de Oliveira; Fan, Fernando Mainardi; Paiva, Rodrigo Cauduro Dias de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A calibração e a validação são duas etapas importantes na aplicação de modelos de sedimentos que requerem dados observados. Nesse contexto, este estudo investigou o potencial de uso dos dados de concentração de sedimentos em suspensão (CSS), qualidade da água e sensoriamento remoto na calibração e validação de um modelo hidrossedimentológico de grande escala. Foram usados dados observados de 108 estações, localizadas na bacia do rio Doce, para o período entre 1997 e 2010. Foram realizados dez experimentos de calibração e validação usando o algoritmo de otimização MOCOM-UA, acoplado ao modelo MGB-SED, resultando em 37 calibrações automáticas e 111 testes de validação, todos no mesmo período. Os experimentos foram construídos modificando as métricas, discretização espacial, dados de CSS e parâmetros do algoritmo MOCOM-UA. Os resultados mostraram que, no geral, os valores das correlações variaram pouco e foram melhores na etapa de calibração. Observou-se que, o aumento da discretização espacial da bacia ou o estabelecimento de uma concentração mínima para o modelo, possibilitou obter resultados melhores. Em uma estação com muitos dados de CSS, a calibração melhorou o coeficiente de ENS de -0,44 para 0,44. Os experimentos mostraram que os dados de reflectância espectral de superfície, sólidos suspensos totais e turbidez apresentam potencial para melhorar a performance dos modelos de sedimentos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Calibration and validation are two important steps in the application of sediment models requiring observed data. This study aims to investigate the potential use of suspended sediment concentration (SSC), water quality and remote sensing data to calibrate and validate a large-scale sediment model. Observed data from across 108 stations located in the Doce River basin was used for the period between 1997-2010. Ten calibration and validation experiments using the MOCOM-UA optimization algorithm coupled with the MGB-SED model were carried out, which, over the same period of time, resulted in 37 calibration and 111 validation tests. The experiments were performed by modifying metrics, spatial discretization, observed data and parameters of the MOCOM-UA algorithm. Results generally demonstrated that the values of correlation presented slight variations and were superior in the calibration step. Additionally, increasing spatial discretization or establishing a background concentration for the model allowed for improved results. In a station with high quantity of SSC data, calibration improved the ENS coefficient from -0.44 to 0.44. The experiments showed that the spectral surface reflectance, total suspended solids and turbidity data have the potential to enhance the performance of sediment models.
  • Two-dimensional Boussinesq equations applied to channel flows: deducing and applying the equations Scientific/technical Article

    Fabiani, André Luiz Tonso; Ota, José Junji

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Uma das hipóteses básicas adotada para a formulação teórica dos escoamentos de fluidos é a distribuição da pressão hidrostática na vertical. No entanto, muitos pesquisadores apontaram que essa simplificação pode levar a erros, em casos como o escoamento na ruptura de barragens. A discrepância entre a solução computacional e o experimento é atribuída à distribuição de pressão. Essas observações não são novas, mas não é apresentada qualquer formulação na literatura que considere a distribuição da pressão não-hidrostática no fluxo 2D. Este artigo deduz as equações de Boussinesq como uma evolução das equações de águas rasas com a hipótese de distribuição não hidrostática de pressão na direção vertical. Utiliza-se o sistema cartesiano ortogonal XYZ, considerando a influência da inclinação do fundo do canal e das perdas de carga no escoamento. É apresentada a correção não-hidrostática na equação de Boussinesq em duas dimensões usando as séries de Fourier. A solução utiliza o método Runge-Kutta Galerkin Descontínuo, e a formulação é aplicada ao rompimento de uma barragem cilíndrica.

    Abstract in English:

    ABSTRACT A basic hypothesis adopted for theoretical formulation of fluid flows is the hydrostatic pressure distribution. However, many researchers have pointed out that this simplification can lead to errors, in cases such as dam break flow. Discrepancy between computational solution and the experiment is attributed to the pressure distribution. These findings are not new, but it is not presented any formulation in the literature that considers the non-hydrostatic pressure distribution in 2D flow. This article deduces the Boussinesq Equations as an evolution of the Shallow Water Equations with the hypothesis of non-hydrostatic pressure distribution in the vertical direction. XYZ Orthogonal Cartesian System is used, considering the influence of channel bed slope and head losses of flow. It is presented the non-hydrostatical correction in the Boussinesq equation in two dimension using Fourier series. The solution uses Runge-Kutta Discontinuous Galerkin Method and the formulation is applied to a cylindrical dam-break.
  • Space-Temporal analysis of suspended sediment in low concentration reservoir by remote sensing Scientific/technical Article

    Chelotti, Giancarlo Brugnara; Martinez, Jean Michel; Roig, Henrique Llacer; Olivietti, Diogo

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O estudo de pequenos reservatórios e com baixa concentração de sedimentos em suspensão (CSS) ainda é um desafio para o sensoriamento remoto. Neste trabalho estimamos a CSS a partir das propriedades óticas da água e de imagens orbitais. Realizamos campanhas em datas escolhidas em função do calendário de passagem dos sensores, sazonalidade das chuvas e hidrograma do reservatório para coleta de amostras de água superficial e espectrorradiometria de campo. A calibração entre a CSS e o comportamento espectral gerou modelos de estimativa de CSS a partir de dados MODIS e Landsat 8, permitindo investigação do seu comportamento temporal e espacial. O modelo MODIS gerou uma série temporal de CSS desde 2000 a 2017, apresentando R2 = 0,8105 e RMSE% = 39,91%. O modelo Landsat 8 permitiu a análise espacial da CSS, apresentando R2 = 0,8352 e RMSE% = 15,12%. A combinação dos modelos propostos permitiu a análise temporal e espacial da CSS e seus relacionamentos com o regime de chuvas e variação de cota do reservatório do Descoberto (DF). Os resultados demonstraram que o uso de dados orbitais complementam as informações da CSS obtidas pelos métodos tradicionais de coleta e análise de qualidade da água em reservatórios de baixa CSS.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The study of small reservoirs with low suspended sediment concentration (CSS) is still a challenge for remote sensing. In this work we estimate CSS from the optical properties of water and orbital imagery. Campaigns were carried out at selected dates according to the calendar of sensor passages, rainfall seasonality and hydrograph of the reservoir for the collection of surface water samples and field spectroradiometry. The calibration between CSS and spectral behavior generated CSS estimation models from MODIS and Landsat 8 data, allowing investigation of their temporal and spatial behavior. The MODIS model generated a time series of CSS from 2000 to 2017, presenting R2 = 0.8105 and RMSE% = 39.91%. The Landsat 8 model allowed the spatial analysis of CSS, with R2 = 0.8352 and RMSE% = 15.12%. The combination of the proposed models allowed the temporal and spatial analysis of the CSS and its relationships with the rainfall regime and the quota variation of the Descoberto reservoir (DF). The results showed that the use of orbital data complements the CSS information obtained by the traditional methods of collecting and analyzing water quality in low CSS reservoirs.
  • Joint calibration of a hydrological model and rating curve parameters for simulation of flash flood in urban areas Scientific/technical Article

    Lima, Fernando Neves; Fernandes, Wilson; Nascimento, Nilo

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Nos modelos chuva-vazão, a etapa de calibração geralmente exige tempo e grande quantidade de informação das vazões. No entanto, do ponto de vista prático, a informação usualmente disponível é o nível d’água medido, este, por sua vez, utilizado na construção das curvas-chave. Este artigo propõe uma calibração conjunta dos parâmetros de um modelo hidrológico com uma gama de curvas-chave, as quais foram desenvolvidas para o canal principal da bacia em estudo em uma área altamente ocupada e urbanizada. Como alternativa a uma calibração livre, as simulações foram realizadas com base em uma lista de parâmetros previamente testados. Quatro estações linimétricas foram analisadas e utilizadas para subdividir a área da bacia. O modelo concentrado horário de chuva-vazão GR4H foi utilizado com quatro eventos críticos de inundações bruscas com o intuito de criar uma classificação de critérios de eficiência de Nash-Sutcliffe aplicando o melhor conjunto de parâmetros. Os resultados indicam que os erros do modelo hidrológico foram compensados pelos erros hidráulicos e apresentaram uma equifinalidade no processo.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Calibration process is usually time demanding and as much streamflow information as possible in rainfall-runoff models. Nevertheless, from a practical point of view, the available information is measurement of water level, which is essential to design rating curves. This manuscript proposes a set of joint calibration of hydrological model parameters with a range of rating curves, developed for the main channel of the catchment in a crowded urban area. As an alternative of free calibration, the simulations were carried out based on a list of proficient parameters. Four streamflow gauging stations were analysed and used to subdivide the basin. The hourly lumped rainfall-runoff model GR4H was applied to four critical flash flood events to create a rank of Nash-Sutcliffe efficiency criteria (NSE) applying the best set of parameters. The results indicated that the hydrological model errors were compensated by hydraulics errors and they presented an equifinality in the process.
  • The use of principal component analysis for the construction of the Water Poverty Index Scientific/technical Article

    Senna, Larynne Dantas de; Maia, Adelena Gonçalves; Medeiros, Joana Darc Freire de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Em relação aos recursos hídricos, índices vem sendo criados para expressar as múltiplas dimensões envolvidas no planejamento e gestão das bacias hidrográficas. Nesse sentido, o Índice de Pobreza Hídrica tem sido globalmente usado. Uma de suas críticas inclui a subjetividade associada a como os sub-índices são ponderados. Neste estudo, aplicamos a análise de componentes principais (PCA) para determinar o peso dos sub-índices: recursos, acesso, capacidade, uso e ambiente da bacia do rio Seridó. O novo índice obtido com o uso de PCA apresenta uma faixa média com valores mais amplos em comparação com as metodologias sem o uso de PCA, permitindo uma identificação clara das disparidades entre as cidades e a possibilidade de priorizar melhor os investimentos relativos à redução da pobreza hídrica. Nossos resultados mostram que essa abordagem possibilita identificar qualitativamente as localizações geográficas que têm maior pobreza hídrica em comparação com outras. Além disso, com essa abordagem, pode-se determinar se a pobreza hídrica é causada devido a características naturais ou déficits de investimento em infraestrutura hídrica, fornecendo também insights sobre as fragilidades sociais. No geral, a ferramenta hierárquica apresentada neste estudo tem um alto valor para melhorar o planejamento dos usos dos recursos hídricos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In relation to water resources, indexes can be created to express the multiple dimensions involved with it to aid the planning and management of basins. In this regard, the Water Poverty Index is globally used, but one of its criticisms includes the subjectivity associated with how the sub-indexes are weighted. Therefore, in this study, we applied principal component analysis (PCA) to determine the sub-indexes’ weight: resource, access, capacity, use, and environment of the Seridó river basin. This new index with PCA presents an average range with broader values compared to methodologies without, allowing clear identification of the disparities among the cities and the possibility to better prioritize investments concerning water poverty reduction. Our results show that this approach makes it possible to qualitatively identify geographical locations that have greater water poverty compared to others. Additionally, with this approach, it can be determined whether water poverty is caused due to natural characteristics or deficits in water infrastructure investment, providing insight into social fragilities as well. Overall, the presented hierarchical tool in this study has a high value to improve the planning of water resource uses.
  • Time-space characterization of droughts in the São Francisco river catchment using the Standard Precipitation Index and continuous wavelet transform Scientific/technical Article

    Santos, Marcus Suassuna; Costa, Veber Afonso Figueiredo; Fernandes, Wilson dos Santos; Paes, Rafael Pedrollo de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Este artigo enfatiza a caracterização espaço-temporal de secas na bacia do rio São Francisco, com base na análise de ondaletas de séries temporais do Índice Padronizado de Precipitação (SPI). Para melhorar a estimação do SPI, os procedimentos para análise regional por momentos-L foram empregados na delimitação de regiões estatisticamente homogêneas. A transformada contínua de ondaletas foi utilizada para extrair informações da série temporal de SPI no plano tempo-frequência e para investigar possíveis teleconexões desses sinais com aqueles obtidos de amostras dos índices climáticos de larga escala ENSO e PDO. O uso de análise de frequência regional com momentos L resultou em melhorias na estimativa de séries temporais de SPI. Observou-se que, agregando informação regional, foram obtidas estimativas mais confiáveis de precipitação com baixa frequência de ocorrência. A análise de ondaleta dos índices climáticos sugere que os períodos secos mais extremos na área de estudo são observados quando a fase fria do ENSO e do PDO coincide. Embora não constituindo uma relação estrita de causa e efeito, ficou claro que as secas mais extremas são consistentemente observadas nessa situação. No entanto, é necessária uma investigação mais aprofundada para identificar as particularidades dos padrões de precipitação que não estão associados a anomalias climáticas em larga escala.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This paper focuses on time-space characterization of drought conditions in the São Francisco River catchment, on the basis of wavelet analysis of Standardized Precipitation Index (SPI) time series. In order to improve SPI estimation, the procedures for regional analysis with L-moments were employed for defining statistically homogeneous regions. The continuous wavelet transform was then utilized for extracting time-frequency information from the resulting SPI time series in a multiresolution framework and for investigating possible teleconnections of these signals with those obtained from samples of the large-scale climate indexes ENSO and PDO. The use of regional frequency analysis with L-moments resulted in improvements in the estimation of SPI time series. It was observed that by aggregating regional information more reliable estimates of low frequency rainfall amounts were obtained. The wavelet analysis of climate indexes suggests that the more extreme dry periods in the study area are observed when the cold phase of both ENSO and the PDO coincides. While not constituting a strict cause effect relationship, it was clear that the more extreme droughts are consistently observed in this situation. However, further investigation is necessary for identifying particularities in rainfall patterns that are not associated to large-scale climate anomalies.
  • Caffeine as a chemical tracer for contamination of urban rivers Scientific/technical Article

    Mizukawa, Alinne; Filippe, Tais Cristina; Peixoto, Luis Otávio Miranda; Scipioni, Bruna; Leonardi, Ivan Rodrigo; Azevedo, Júlio César Rodrigues de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A crescente urbanização nos grandes centros urbanos têm contribuído de forma contínua na deterioração da qualidade das águas dos corpos hídricos receptores. Uma nova abordagem para monitoramento da qualidade d’água é o uso de cafeína como traçador de atividade antrópica em rios urbanos, uma vez que seu uso é limitado a humanos e sua metodologia de análise é menos susceptível a erros quando comparado com parâmetro tradicionais de poluição antrópica. Para analisar a possibilidade do uso da cafeína como parâmetro de qualidade da água, foram monitoradas três bacias hidrográficas (Atuba, Belém e Palmital) na grande Curitiba em 5 campanhas amostrais. A cafeína foi analisada em cromatografia líquida de alta eficiência com detector de arraste de diodo após extração em fase sólida. Parâmetros tradicionais de monitoramento de qualidade da água, como N-amoniacal, coliformes termotolerantes, demanda bioquímica de oxigênio e Ortofosfato foram analisados como comparação. Os resultados indicam que a área de estudo apresenta grande influência antrópica, provavelmente pela falta de infraestrutura, que indica a presença de efluentes domésticos não tratados. O rio mais degradado foi o rio Belém (concentrações de 23,08 µg.L-1 de cafeína). A cafeína mostrou-se uma abordagem apropriada para monitoramento ambiental, correlacionando-se com os parâmetros tradicionais, como Coliformes Termotolerantes (R = 0,7375).

    Abstract in English:

    ABSTRACT The growing urbanization in urban centers have continuously contributed to the deterioration of water quality in rivers. The use of caffeine as a chemical tracer for anthropic activities is an approach to the environmental monitoring of urban waterbodies, as its use is limited to humans and less susceptible to sampling error comparing to other traditional parameters for anthropic pollution. To analyze the possibility of using caffeine as a water quality parameter, the anthropic influence over three watersheds (Atuba, Belem and Palmital) from the Greater Curitiba was observed over five sampling campaigns. The caffeine was analyzed by liquid chromatography tandem diode array detection, after the solid phase extraction. Traditional parameters of water quality monitoring, such as ammoniacal nitrogen, thermotolerant coliforms, biochemical oxygen demand and orthophosphate, were measured for comparison. The results indicate anthropic influence over the basins, probably due to the lack of infrastructure, thus leading to the assumption of untreated domestic wastewater being discharged. The most degraded river was the Belem river (caffeine concentration of 23.08 µg.L-1). Caffeine presented itself as an appropriate approach for environmental monitoring, presenting a good correlation with the traditional parameters, such as for thermotolerant coliforms (R = 0.7375).
  • Methodology for the construction of an urban flood hazard chart Scientific/technical Article

    Siqueira, Rejane Cristina; Moura, Priscilla Macedo; Silva, Talita Fernanda das Graças

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os eventos de inundação são uma das principais causas de prejuízos econômicos e de perdas de vidas humanas em todo o mundo. Infelizmente, a sua ocorrência tem se tornado cada vez mais frequente e de maior magnitude. Para minimizar os riscos aos quais a população está exposta, torna-se necessário investir em ferramentas que auxiliem no processo de tomada de decisão relativo à gestão da drenagem urbana. O presente trabalho propõe uma metodologia para construção de gráfico de risco de inundação em bacias urbanas. Para tanto, foi aplicado o modelo Storm Water Management Model (SWMM) na bacia do Córrego Cachoeirinha (Belo Horizonte, Brasil), calibrado e validado com dados de precipitação e níveis d’água registrados em estações de monitoramento. Nas etapas de calibração e validação obteve-se, respectivamente, Coeficiente de Nash-Sutcliffe igual a 0,72 e 0,70. Dessa forma, pode-se considerar o desempenho do modelo satisfatório, ainda que o mesmo não tenha representado bem os eventos chuvosos mais intensos que geraram alertas de emergência e extravasamento do canal. Os resultados da modelagem possibilitaram a construção do gráfico de risco, que definiu faixas de risco ou níveis de alerta de risco em função do volume de chuva acumulada e da duração da mesma. O gráfico construído foi avaliado a partir de eventos reais de precipitação e demonstrou-se válido, uma vez que os eventos, em sua maioria, se ajustaram aos níveis de risco definidos. O gráfico de risco de inundações é uma valiosa ferramenta para a gestão do risco de inundações uma vez que pode reduzir a exposição da população a tais eventos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Flood events are one of the major causes of economic loss and the loss of life worldwide. Unfortunately, their occurrence has become increasingly more frequent and of greater magnitude. In order to minimize the population’s exposure to danger, it is necessary to invest in tools that aid in the decision-making process related to urban drainage management. The present work proposes a methodology for the construction of a Flood Hazard Chart for urban watersheds. The Storm Water Management Model (SWMM) was applied to the Cachoeirinha Watershed (Belo Horizonte, Brazil). The model was calibrated and validated using precipitation data and water levels recorded in monitoring stations located in the study area. The Nash-Sutcliffe Coefficients for the calibration and validation were 0.72 and 0.70, respectively. The performance of the model was satisfactory, although the model was not able to represent the more intense rain events that led to emergency and overflow warnings. Modeling results allowed the construction of the hazard chart, which defined hazard ranges or warning levels of hazard as a function of accumulated rainfall and duration. The constructed graph was assessed from real precipitation events and proved to be valid, since most events corresponded with the defined warning levels in the chart. The Flood Hazard Chart proposed in this research is a valuable tool for flood risk management as it has the potential to reduce exposure to flood disasters.
  • Scale effect on mean pressures: study of two reduced models of a ski jump spillway Scientific/technical Article

    Borja, João Gerdau de; Sanagiotto, Daniela Guzzon; Marques, Marcelo Giulian; Canellas, Alba Valéria Brandão; Palauro, Cassius

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O vertedouro tipo salto esqui está presente em grandes barragens brasileiras. Após a operação desse tipo de vertedouro se origina uma fossa de erosão a jusante, que complementa o sistema de dissipação de energia, pois o jato é amortecido pelo colchão d’água. À medida que a escavação da fossa de erosão evolui, sua forma se altera, havendo a indução de diferentes comportamentos do fluxo do jato no interior do colchão d’água. A importância deste estudo científico se dá em virtude das fossas a jusante de vertedouros salto esqui estarem em constante transformação, o que pode ocasionar mudanças nos padrões de pressões dinâmicas causadas no fundo. Erosões imprevistas podem provocar a instabilidade dos taludes da fossa, comprometendo a fundação da barragem. Neste trabalho, foram realizados experimentos físicos, por modelagem seccional (2D), em dois modelos reduzidos de escalas 1:50 e 1:100, considerando dois estágios de profundidade de erosão em fundo sólido (fixo). Com isso, analisou-se o local de impacto do fluxo do jato sobre o leito, local este que possui a maior pressão dinâmica média. Como resultado foi possível identificar o efeito de escala no coeficiente de pressão entre os dois modelos ensaiados, o que possibilitou o ajuste de linhas de tendências que auxiliam a estimativa das pressões que ocorrem em protótipos, aumentando a segurança na operação de vertedouros salto esqui.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The ski jump type spillway is present in large Brazilian dams. After the operation of this type of spillway, a scour hole is originated downstream of the spillway toe, complementing the energy dissipation system, because the jet is cushioned by the waterbed. As the excavation of the scour hole evolves, its shape changes, with the induction of different behaviors of the jet flow within the waterbed. The importance of this scientific study is due to the fact that scour holes downstream of ski jump spillways are in constant transformation, which can cause changes in the patterns of dynamic pressures caused on the bottom. Unexpected erosions can cause instability in the submerged slopes of the pit, jeopardizing the foundation of the dam. In this work it was proceeded physical experiments, by sectional modeling (2D), in two reduced models of 1:50 and 1:100 scales, considering two stages of erosion depths in solid bottom (fixed). It was analyzed the impact site of the jet flow on the bottom, which has the major mean dynamic pressure. As result, it was possible to identify the scale effect in the pressure coefficient between the two models tested, which allowed the adjustment of trend lines that aid to estimate the pressures that occur in prototypes, increasing safety in operation of ski jump spillways.
  • Integrating climate models into hydrological modelling: What’s going on in Brazil? Scientific/technical Article

    Amorim, Pablo Borges de; Chaffe, Pedro Luiz Borges

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Estudos que integram modelagem climática em modelagem hidrológica têm crescido substancialmente nas últimas duas décadas em todo o mundo; entretanto, pouco se sabe sobre estes no território brasileiro. O objetivo deste estudo é identificar como a comunidade científica tem lidado com o tema no Brasil. O estudo baseia-se numa revisão sistemática da literatura revisada por pares disponível. Identificamos regiões e setores socioeconômicos de interesse e propomos um método para avaliar a consistência metodológica dos estudos com o atual estado-da-arte. A análise mostra que o tema cresceu substancialmente nesta década, abrangendo 63 documentos até 2018. Os setores de maior interesse são o de energia hidrelétrica e de abastecimento de água potável. As regiões hidrográficas do Paraná e do Atlântico Nordeste Oriental receberam grande atenção; enquanto a região Atlântico Sudeste pouca. Em termos de metodologia, o uso do conjunto de multi-modelos deixa espaço para melhorias. Os resultados sugerem limitações em capacidade técnica e em acesso à infraestrutura computacional para lidar com dados climáticos. Diante dos atuais desafios que a ciência brasileira enfrenta, sugerimos a sincronização de esforços entre instituições de pesquisa. Esta revisão sistemática fornece informações que podem ajudar os tomadores de decisão em ações de aprimoramento do tema no Brasil.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Studies integrating climate modelling output into hydrological modelling have grown substantially in the last two decades worldwide; however, there has not been a systematic review about those applications in the Brazilian territory. The aim of this study is to identify how the scientific community has been dealing with the topic in Brazil. The study is based on a systematic review of available peer-reviewed literature. We identify regions and socioeconomic sectors of interest and propose a method to evaluate the methodological consistency of the studies with the current state-of-the-art. The review shows that the topic has grown substantially in this decade, reaching 63 documents until 2018. The sectors under highest concern are the hydropower and the drinking water supply. The Paraná and Atlântico Nordeste Oriental hydrographic regions received great attention; whereas the Atlântico Sudeste did not. In terms of methodology, the use of multi-model ensemble leaves room for improvement. The results suggest a lack of human resources and access to computational infrastructure to handle climate data. Given the current challenges that Brazilian science is facing, we suggest the synchronization of efforts among research institutions. This systematic review provides information to help guiding decision makers to improve the topic in Brazil.
  • Comparison of 1D and 3D reservoir heat transport models and temperature effects on mass transport Scientific/technical Article

    Polli, Bruna Arcie; Bleninger, Tobias

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Modelos 1D e 3D de transporte de calor são comparados em um reservatório dentrítico no Brasil. Os períodos de estratificação para ambos modelos foram estimados usando índices físicos e gradientes de temperatura. O modelo tridimensional reproduz a temperatura da coluna d'água com mais acurácia, no entanto, o cálculo de índices físicos (números de Wedderburn e do Lago) apresentaram resultados semelhantes para ambos modelos. Também foram investigados os efeitos de temperatura no transporte de massa, utilizando modelagem tridimensional. Os transportes advectivo e difusivo foram quantificados para um traçador lançado em um rio e em um braço do reservatório. Foi identificado que a temperatura aumenta o transporte advectivo, com um máximo de 40% de aumento no traçador lançado no rio, e 9% de aumento no transporte no traçador lançado no braço do reservatório. Em relação ao transporte dispersivo, no traçador lançado no rio, houve uma diminuição do transporte, devido aos efeitos de temperatura. No caso do traçador lançado no braço do reservatório, não foi possível definir um padrão.

    Abstract in English:

    ABSTRACT One and three-dimensional heat transport models are compared in a dendritic reservoir in Brazil. We estimate the periods of temperature stratification for both models using physical indices and temperature gradients. The three-dimensional model reproduces more accurately the water column temperature profiles, however with focus on the physical indices (Wedderburn Number and Lake Number) similar results were obtained with both models. Secondly, we investigated the effects of temperature stratification on substance mass transport using the three-dimensional model. The advective and dispersive transport for a tracer released in a river and in a side arm of the reservoir were quantified. We identified that considering the effects of temperature stratification increased the horizontal advective transport - up to a maximum of 40% increase for the tracer released in the river, and 9% for the side arm. In relation to dispersive transport there was a decrease in transport due to temperature stratification, and no pattern was discernible for the side arm tracer modeling.
  • Wave length and celerity downstream from a hydraulic jump Scientific/technical Article

    Gomes, Ana Paula; Marzec, Eduardo Pivatto; Endres, Luiz Augusto Magalhães

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Uma característica importante para a caracterização de uma onda é o seu período, ou seja, o intervalo de tempo correspondente a uma oscilação completa. Através do período da onda é possível estimar outras importantes características da onda, tais como o comprimento e a celeridade de uma onda. Neste estudo, são apresentados resultados de uma relação entre os períodos significativo, médio e de pico, das ondas geradas a jusante de ressalto hidráulico, com a frequência de formação dos vórtices presentes na região do rolo contido dentro do ressalto hidráulico. Além destas relações, foram determinados também os comprimentos das ondas, por meio da equação de dispersão considerando o efeito de superposição de onda e corrente, para a identificação da celeridade das ondas. Os resultados estimados para a celeridade das ondas foram relacionados com os resultados experimentais obtidos para a celeridade das ondas. Através dos resultados obtidos, foi possível identificar que o período característico da onda mais representativo para a caracterização de uma onda a jusante de ressalto hidráulico foi o período significativo.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The wave period, i. e., the time interval which corresponds to a complete oscillation, is an important parameter of wave characterization. It allows the estimation of other important wave characteristics such as the length and celerity. This study aims at describing the results of a relationship among the significant, mean, and peak periods of waves generated downstream from a hydraulic jump. The frequency of vortex formation in the roller region within the hydraulic jump was used. Besides those relationships, wave lengths were also determined by the dispersion equation by considering the wave-current overlapping effect in order to identify the wave celerity. Estimated results of wave celerity were compared to their experimental results. Our findings allowed us to identify that the significant wave period was the most representative period for the characterization of a wave downstream from a hydraulic jump.
  • Effects of small hydropower plants in cascade arrangement on the discharge cyclic patterns Scientific/technical Article

    Paes, Rafael Pedrollo de; Costa, Veber Afonso Figueiredo; Fernandes, Wilson dos Santos

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Por assumir que os impactos nos regimes naturais de vazão de Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs) são desprezíveis, os licenciamentos ambientais para esses empreendimentos são relativamente fáceis de serem obtidos. Contudo, estudos recentes têm mostrado que a operação de PCHs pode afetar as condições naturais de escoamento especialmente quando os aproveitamentos hidrelétricos são alocados em cascata. Nesse contexto, o principal objetivo deste trabalho é investigar a alteração do comportamento das periodicidades de vazões em um sistema com seis aproveitamentos hidrelétricos, sendo cinco PCHs. Foram utilizadas séries de vazões diárias extraídas de estações localizadas na bacia do rio Jauru, na região hidrográfica do Alto Paraguai, Brasil, entre maio de 2016 e agosto de 2017. Por meio da transformada wavelet, foi possível identificar ciclos dominantes ao longo do tempo e comparar a coerência de séries de vazões entre estações adjacentes. Entre os resultados, observou-se que, no sentido de montante para jusante, os ciclos de alta frequência se tornam mais evidentes enquanto aqueles de baixa frequência ficam enfraquecidos. Análises adicionais indicaram que tais alterações não estão diretamente relacionadas a fatores meteorológicos ou ao aumento gradual da área de drenagem da bacia na direção a jusante, o que sugere que a operação das PCHs pode afetar o ciclo natural de vazões.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Because it is assumed that the impacts in the natural streamflow regime promoted by Small Hydropower Plants (SHP) are negligible, environmental licensing for such facilities is usually easier. Nonetheless, recent studies have shown that the operation of SHPs may disturb the natural flow conditions, mainly when the plants are placed in a cascade arrangement. In this context, the main objective of this study is investigating the alterations in flows periodic behavior in a system of six hydropower plants, being five of them SHPs. Daily discharge time series were extracted from eight streamflow gauging stations located in the Jauru River catchment, Brazil, whose period-of-record spans from May/2016 to Aug/2017. By using the wavelet transform, dominant cycles along the time series were identified and their coherence in nearby stations was compared. Among the results, one may observe that, from upstream to downstream, the high frequency cycles became more important whereas the low frequency ones have weakened. Additional analyses indicate that such alterations are not directly related to meteorological factors or to the gradual increasing in the catchment’s drainage area in the downstream direction, which suggests that the operation of SHPs may affect the streamflow natural cycles.
  • Scenarios from the Eta Model on quality and hydrological quantity in the Atlantic Forest, Southern Brazil Scientific/technical Article

    Pinheiro, Adilson; Kaufmann, Vander; Piazza, Gustavo Antonio; Campo, Claudia Guimarães Camargo

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Este trabalho avaliou a resposta de dois cenários (4.5 e 8.5) do modelo Eta sobre a qualidade (sedimento - TSS, nitrato - NO3 e fosfato - PO4) e quantidade (vazão - Q) na bacia hidrográfica do Ribeirão Concórdia, no bioma Mata Atlântica. A importância do trabalho está na verificação dos cenários até o ano de 2099, tendo em vista as práticas agrícolas atuais (2016). Foi utilizado o modelo SWAT, geralmente aplicado para processos hidrológicos, no sentido de avaliar a qualidade da água, por meio do monitoramento mensal na bacia hidrográfica (2010-2014). Q apresentou uma tendência de aumento não acentuado. Modificações em Q foram transmitidas para TSS e PO4. Não houve diferença significativa entre os cenários testados.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This work evaluated the response of two scenarios (4.5 and 8.5) of the Eta Model on the quality (sediment - TSS, nitrate - NO3- and phosphate - PO43-) and quantity (flow - Q) of the Concordia Catchment in the Atlantic forest biome. The importance of the work lies in the comparison of both scenarios until 2099, using current agricultural practices (2016). The SWAT model normally used for hydrological purposes has been applied to evaluate water quality from the monitoring programme database (2010-2014). Q showed a non-accentuated, upward trend. Modifications in Q were transmitted to TSS and PO43-. There was no significant difference between the tested scenarios.
  • Application of an alternative mesh morphing method on the numerical modeling of oscillating wave surge converters Scientific/technical Article

    Vargas, Guilherme Fuhrmeister; Schettini, Edith Beatriz Camaño

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Uma das tecnologias capazes de explorar a energia das ondas, baseada na captação das componentes horizontais do movimento destas, aliada a um sistema placa-pistão, vem experimentando um notável desenvolvimento ao longo dos últimos anos, tal dispositivo é conhecido como conversor oscilante por translação de ondas. Este possui um grande potencial, já comprovado, de geração de eletricidade. Uma das maneiras mais utilizadas para a análise destes conversores consiste na aplicação de ferramentas de modelagem numérica computacional. Neste contexto, o presente trabalho propõe a aplicação de uma metodologia numérica alternativa de deformação da malha de cálculo para representar a hidrodinâmica destes dispositivos, a qual está baseada em um fundo que oscila juntamente com o conversor, permitindo que este atinja inclinações elevadas, sem ocasionar divergências numéricas. O estudo é realizado pela aplicação do código computacional OpenFOAM, em conjunto com sua extensão OLAFOAM, que, através da metodologia Volume of Fluid (VOF), para a representação da superfície livre, e do método das médias de Reynolds (RANS), para a modelagem da turbulência, possibilita a simulação bidimensional da dinâmica do conversor considerado. O método proposto mostrou boa concordância e representatividade dos resultados, quando comparados a estudos experimentais, presentes na literatura, em situações hidrodinâmicas similares. Além disto, a metodologia baseada em um fundo móvel apresentou diferenças relativas, em relação ao método que considera o fundo como fixo, entre 4% e 17% para casos de placa muito próximos ao fundo do domínio e de até 8% para os casos onde esta encontra-se mais afastada.

    Abstract in English:

    ABSTRACT A technology capable of converting the horizontal motion of the ocean waves into energy by the application of a flap-piston system has been improved over the last few years, this device is known as oscillating wave surge converter. This system has great potential, already proven, for electric power generation. The computational fluid dynamics is one of the most used tools for the study of wave energy converters. In this context, the present paper proposes the application of an alternative mesh morphing method to represent the hydrodynamics of these devices, which is based on a bottom that oscillates with the converter, leading the flap to reach high inclinations without causing numerical divergences. The study is performed using the OpenFOAM computational code and its extension OLAFOAM. These are based on Reynolds Average Navier Stokes (RANS) turbulence modeling and the Volume of Fluid method (VOF) for the free surface representation, which are applied to a bidimensional model, allowing the numerical modeling of the converter. The proposed method presented good agreement of the results when compared to the experimental studies in similar hydrodynamic cases. The methodology based on a moving bottom presented relative differences, concerning the method that considers the bottom as fixed, between 4% and 17% for the cases where the flap is near to the ocean bottom and up to 8% for cases where it is further away.
  • Puls method for events simulation in a lot scale bioretention device Scientific/technical Article

    Ferreira, Lucas Tardelly Lins Mariz; Neves, Marllus Gustavo Ferreira Passos das; Souza, Vladimir Caramori Borges de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Biorretenção é uma técnica aplicada para tratar e reduzir o escoamento superficial gerado em áreas urbanas. Embora essas instalações apresentem processos complexos, um modelo simples com poucos parâmetros pode ser útil para seu projeto. Este artigo relata uma aplicação do método Puls como uma ferramenta quantitativa de simulação de biorretenção para eventos. Um dispositivo de biorretenção em escala real foi instalado e monitorado usando quatro sensores de nível e um pluviômetro de báscula, ambos com registradores de dados. O método foi aplicado de duas maneiras: a instalação como um único reservatório; e a instalação como dois reservatórios em série. As vazões dependiam de uma única taxa de infiltração no primeiro caso (K) e duas taxas de infiltração no segundo caso (K1 e K2). Foram utilizados 15 eventos e os resultados mostraram coeficientes de Nash-Sutcliffe (NS) e de determinação (R2) adequados na fase de calibração, especialmente quando a biorretenção foi simulada como um único reservatório, com valores NS variando de 0,64 a 0,95. Quando o dispositivo foi simulado como dois reservatórios em série, os valores de NS variaram de 0,80 a 0,95 na fase de calibração. A fase de validação resultou em NS e R2 menores que a fase de calibração. Apesar disso, o estudo apresentou o modelo de Puls como uma boa opção para a pesquisa em modelagem de dispositivos de biorretenção.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Bioretention is a technique applied to treat and reduce runoff generated in urban areas. Although these facilities present complex processes, a simple model with few parameters can be useful for its project. This paper reports an application of Puls method as a bioretention simulation quantitative tool for events. A bioretention device in real scale was installed and monitored using four level sensors and a tipping-bucket rain gauge, both with data loggers. The method was applied in two ways: the facility as a single reservoir; and the facility as two serial reservoirs. Outflows depended on a single infiltration rate in the first case (K) and two infiltration rates in the second case (K1 and K2). The study used 15 events. Results showed suitable values for Nash-Sutcliffe (NS) and determination coefficients (R2) in the calibration phase, especially for bioretention simulated as a single reservoir, with NS values ranging from 0.64 to 0.95. NS ranged from 0.80 to 0.95 in the calibration phase for the device simulated as two serial reservoirs. The validation phase achieved lower NS and R2 than calibration phase. Despite this, the present study suggests the Puls model as a good option for research on bioretention devices modelling.
  • Optimal pressure management in water distribution networks through district metered area creation based on machine learning Scientific/technical Article

    Novarini, Bernardo; Brentan, Bruno Melo; Meirelles, Gustavo; Luvizotto, Edevar

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A gestão integrada dos sistemas de abastecimento de água com o uso eficiente dos recursos requer a otimização das operações. O agrupamento das redes de abastecimento de água em pequenas unidades, chamadas de distritos de medição (DMAs), é uma estratégia que permite o desenvolvimento de regras operacionais específicas, responsáveis por melhorar o desempenho da rede. Neste contexto, os métodos de classificação agrupam os nós vizinhos de acordo com características semelhantes, como elevação ou distância à fonte de água. Utilizando os critérios topológicos, operacionais e matemáticos para determinar a configuração dos DMAs, o trabalho apresenta um modelo k-means e um modelo híbrido, que combina um mapa auto-organizado (SOM) com o algoritmo k-means, como métodos de agrupamento. Comparou-se quatro critérios matemáticos, Silhouette, GAP, CalinskiHarabasz e Davies-Bouldin e analisou-se a influência de três critérios topológicos variáveis, a demanda de água, a elevação dos nós e o comprimento do tubo, para determinar o número ótimo de agrupamentos. Ademais, com o intuito de identificar a melhor configuração de DMAs, o método de otimização de enxame de partículas (PSO) foi aplicado para determinar o número, o custo, as pressões e a localização das entradas do DMA.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Integrated management of water supply systems with efficient use of natural resources requires optimization of operational performances. Dividing the water supply networks into small units, so-called district metered areas (DMAs), is a strategy that allows the development of specific operational rules, responsible for improving the network performance. In this context, clustering methods congregate neighboring nodes in groups according to similar features, such as elevation or distance to the water source. Taking into account hydraulic, operational and mathematical criteria to determine the configuration of DMAs, this work presents the k-means model and a hybrid model, that combines a self-organizing map (SOM) with the k-means algorithm, as clustering methods, comparing four mathematical criteria to determine the number of DMAs, namely Silhouette, GAP, Calinski-Harabasz and Davies Bouldin. The influence of three clustering topological criteria is evaluated: the water demand, node elevation and pipe length, in order to determine the optimal number of clusters. Furthermore, to identify the best DMA configuration, the particle swarm optimization (PSO) method was applied to determine the number, cost, pressure setting of Pressure Reducing Valves and location of DMA entrances.
  • Analysis of physical mechanisms of human body instability for the definition of hazard zones present in emergency action plans of dams. Case study: Santa Helena Dam, Bahia Scientific/technical Article

    Vieira, Luan Marcos da Silva; Fontes, Andrea Sousa; Simões, André Luiz Andrade

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os impactos produzidos pelas ondas de cheias decorrentes de ruptura de barragens geralmente causam danos irreversíveis à população residente e a perda do equilíbrio do corpo nas inundações contribui para o agravamento desse cenário. Nesse contexto, esse trabalho teve como objetivo analisar a influência da consideração dos mecanismos físicos que causam instabilidade no corpo humano na definição de zonas de risco. Para isso, foi feita a simulação da propagação da onda de cheia decorrente da ruptura hipotética da barragem de Santa Helena na Bahia com auxílio do modelo hidrodinâmico HEC-RAS. Os resultados de velocidades e alturas de escoamento foram relacionados e comparados aos diferentes critérios de zoneamentos de risco e mecanismos que causam a instabilidade do corpo. Percebeu-se que a consideração dos mecanismos de instabilidade do corpo humano pode contribuir na gestão do risco, através do conhecimento de áreas em que os diferentes indivíduos possam tombar ou deslizar. Foi confirmado que em regimes de escoamento supercríticos é mais provável que o indivíduo deslize e que nos subcríticos que o indivíduo tombe. Além disso, a consideração de parâmetros como a força de empuxo e o ângulo referente à capacidade adaptativa do corpo humano em inundações influenciam na definição das zonas.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The impacts caused by flood waves due to dam ruptures usually cause irreversible damages to the resident population, and, the loss of body equilibrium in floods contributes to aggravate this scenario. In this context, this work aimed to analyse the influence of consideration of physical mechanisms that cause instability in the human body on the definition of hazard zones. Therefore, it was developed simulation of the propagation of the flood wave due to the hypothetical rupture of Santa Helena Dam in Bahia, using the hydrodynamic model HEC-RAS. The results of flow velocities and heights were related and compared to different criteria of hazard zonings and mechanisms that cause body instability. It was verified that the consideration of instability mechanisms of the human body can contribute to hazard management, through the knowledge of areas in which different individuals may topple or slide. It was confirmed that in supercritical flow regimes is more likely for the individual to slide and that in subcritical regimes the individual will topple. Moreover, the consideration of parameters such as buoyancy force and the angle related to the human body's adaptive ability in a flooding influence on the definition of zones.
  • Spectral analysis in determining water quality sampling intervals Scientific/technical Article

    Silva, Régis Leandro Lopes da; Silveira, André Luiz Lopes da; Silveira, Geraldo Lopes da

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Para gerar séries históricas de qualidade da água mais representativas desenvolvem-se técnicas de monitoramento em tempo real. Contudo, estas técnicas possuem obstáculos quanto ao uso: alto custo, dificuldades de instalação, manutenção e calibração dos equipamentos. Uma alternativa seria o chamado monitoramento da qualidade da água em tempo quase real (MQATQR), que envolve amostragens com frequência menor que a diária. O objetivo deste trabalho foi avaliar, por meio da análise espectral, a representatividade de frequências de amostragem da qualidade da água para diferentes tipos de bacias. Para isso foram utilizadas séries históricas de estações de monitoramento da qualidade da água em tempo real no Brasil, Canadá e EUA. Estas séries foram submetidas à análise espectral utilizando o janelamento de Hann, para identificação das frequências mais densas e da representatividade delas dentro das séries, com o auxílio de curvas de frequência acumuladas. Para obtenção dos intervalos de amostragem foi aplicado o teorema de Nyquist-Shannon. Intervalos semanais representaram 65% de frequências acumuladas para os três parâmetros analisados, e os intervalos de amostragem obtidos se mostraram executáveis nos moldes do MQATQR até a frequência acumulada de 90%. Para as frequências acumuladas maiores que 90% os intervalos se aproximam do diário.

    Abstract in English:

    ABSTRACT To make water quality series more representative, real-time monitoring techniques are developed. However, these techniques have obstacles in their use, such as high costs and difficulties in equipment installation, maintenance, and calibration. One alternative is near-real time water quality monitoring (NRTWQM), with sampling done less frequently than daily. The study objective was to evaluate, through spectral analysis, the water quality sampling frequency representativity for different catchments. For this purpose, a historical series of real time water quality monitoring stations were used in Brazil, Canada, and the USA. These series were submitted to spectral analysis to identify the denser frequencies and their representativeness across the series. To obtain the sampling intervals, the Nyquist-Shannon theorem was applied. Weekly intervals accounted for 65% of cumulative frequencies for the three verified parameters, and the sampling intervals obtained by means of the characteristic frequencies were shown to be executable in the NRTWQM models for up to the 90% of cumulative frequency. For cumulative frequency above 90%, the intervals approach the daily values.
  • Uncertainty estimation in hydrodynamic modeling using Bayesian techniques Scientific/technical Article

    Pinheiro, Viviane Borda; Naghettini, Mauro; Palmier, Luiz Rafael

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A avaliação de incertezas tem emergido como estudo primordial para se conhecerem os efeitos dos erros inerentes aos processos de modelagem de perfis de escoamento de vazões de cheia, de natureza aleatória e epistêmica, presentes em dados de entrada como vazões e topobatimetria, na estrutura e parametrização dos modelos matemáticos utilizados e nas suas necessárias condições de contorno e iniciais. Dessa forma, o estudo reportado neste artigo buscou aplicar uma metodologia de cunho Bayesiano, associada a milhares de simulações de Monte Carlo por Cadeias de Markov, a fim de identificar e quantificar a incerteza inerente ao coeficiente de rugosidade de Manning de um modelo hidrodinâmico unidimensional e a incerteza total envolvida na predição de hidrogramas e profundidades resultantes da propagação de cheias por um trecho do Alto rio São Francisco, entre a foz do rio Abaeté e a cidade de Pirapora. Os resultados mostram que o esquema Bayesiano permitiu uma adequada identificação a posteriori das incertezas paramétricas e associadas às demais fontes de erros, com alteração importante das distribuições de probabilidade estipuladas a priori. Ademais, a análise estatística dos resíduos da modelagem veio corroborar a aplicabilidade do método à análise de incertezas na modelagem hidrodinâmica por meio do uso de uma função de verossimilhança mais flexível do que a clássica função baseada nas hipóteses de normalidade, homoscedasticidade e ausência de correlação serial para os resíduos. A continuidade deste trabalho prevê ainda a avaliação de sensibilidade das incertezas a posteriori à inserção de afluências laterais, sobretudo no que tange à correlação temporal dos resíduos, bem como a adoção de outras variáveis como informação de atualização das incertezas, e a validação da metodologia por meio do uso das incertezas a posteriori para estimação da incerteza total envolvida na predição de outros eventos de cheia que não tenham sido utilizados no processo de inferência.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Uncertainty estimation analysis has emerged as a fundamental study to understand the effects of errors inherent to hydrodynamic modeling processes, of aleatory and epistemic nature, due to input data such as discharge, topography and bathymetry, to the structure and parameterization of the mathematical models used and to their necessary boundary and initial conditions. The study reported in this paper sought to apply a Bayesian-based methodology, associated with thousands of Markov Chain Monte Carlo simulations, in order to identify and quantify the uncertainty related to the Manning’s n roughness coefficient in a 1D hydrodynamic model and the total uncertainty involved in the prediction of hydrographs and water surface elevation profiles resulting from flood routing through a reach located in the upper São Francisco river, between the Abaeté river outlet and the town of Pirapora. The results show that the Bayesian scheme allowed an adequate posterior identification of the parametric uncertainties and of those associated to other sources of errors, with important changes in the prior probability distributions. In addition, the residuals analysis corroborates the applicability of the method to the analysis of uncertainties in hydrodynamic modeling through the use of a more flexible likelihood function than the classical one based on the hypotheses of normality, homoscedasticity and uncorrelated residuals. Future work includes the sensitivity evaluation of the posterior distributions to the addition of lateral inflows, especially concerning the residuals serial correlation, as well as the adoption of other variables to update the prior uncertainties, and the validation of the methodology through the use of the posterior distributions to estimate the total uncertainty involved in the prediction of floods other than the ones used in the inference process.
  • Methodology for minimum nitrogen compounds removal efficiencies estimation and wastewater treatment systems pre-selection: a watershed approach Scientific/technical Article

    Sá, Glaucia de Laia Nascimento; Reis, José Antonio Tosta dos; Mendonça, Antonio Sérgio Ferreira; Silva, Fernando das Graças Braga da

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O nitrogênio constitui importante parâmetro para o controle da poluição hídrica, uma vez que a nitrificação produz consumo de oxigênio do ambiente aquático, além da toxicidade associada à algumas formas de nitrogênio. Este estudo estabeleceu e empregou modelo de otimização visando a determinação simultânea de eficiências mínimas de remoção de demanda bioquímica de oxigênio e compostos de nitrogênio. Para resolução do modelo de otimização foram associados modelo de qualidade da água e a Metaheurística Algoritmo Genético. As eficiências mínimas estimadas condicionaram a pré-seleção de sistemas de tratamento de esgotos. A área de estudo foi a bacia hidrográfica do rio Pardo (Espírito Santo, Brasil). Os resultados indicaram que, função do aumento da toxicidade da amônia com a elevação de pH, os sistemas de tratamento precisam ser mais eficientes na remoção de amônia, quando da disposição dos efluentes tratados em cursos d’água com elevados valores de pH. O processo de pré-seleção, consideradas as condições de contorno assumidas neste estudo, indicou para Ibatiba sistemas de lodos ativados, biofiltro aerado submerso com nitrificação ou com remoção biológica de nitrogênio. Para os povoados Santíssima Trindade e Nossa Senhora das Graças foram pré-selecionados sistemas mais simples como tratamento primário com tanques sépticos, lagoas de estabilização, reatores UASB e filtros biológicos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Nitrogen is a very important parameter for water pollution control since nitrification implies in aquatic environment oxygen consumption and some nitrogen forms are toxic. In the present study, an optimization model was developed and applied aiming at simultaneous organic matter and nitrogen compounds minimum removal efficiencies determination. A water quality model and the Genetic Algorithm Metaheuristic were associated in order to solve the optimization problem. The estimated minimum efficiencies conditioned the sewage treatment systems pre-selection. The study area was the Pardo River watershed (Espírito Santo State, Brazil). The results indicate that the treatment systems need to be more efficient in ammonia removal when the treated effluents disposed in watercourses that present high pH values because ammonia toxicity increases with pH. Considering the boundary conditions assumed in this study, the pre-selection process indicated activated sludge systems, submerged aerated biofilter with nitrification, or with biological nitrogen removal, for Ibatiba city. Simpler systems such as primary treatment with septic tanks, stabilization ponds, UASB reactors and biological filters were pre-selected for Santíssima Trindade and Nossa Senhora das Graças towns.
  • The application of LIDs in Savanna region for mitigation of flooded areas Scientific/technical Article

    Fileni, Felipe de Mendonça; Costa, Maria Elisa Leite; Alves, Conceição de Maria Albuquerque

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O aumento da geração do volume do escoamento superficial irá ser um desafio aos futuros projetos de drenagem de urbana, e muitas estratégias sustentáveis podem ser efetivas no controle de inundações e no redesenho de áreas urbanas. Este estudo foca na avaliação das soluções de drenagem em áreas urbanas já consolidadas do Distrito Federal no Brasil, a fim de reduzir a vazão de pico, o volume inundado e as áreas sujeitas a perigo de inundação. Diferentes cenários foram simulados, e foi mostrado que o atual sistema de drenagem utilizado não está em conformidade com a regulamentação local. Além disso, o uso de pavimentos permeáveis com bacias de detenção poderiam reduzir em pelo menos 46% do volume inundado na região. Embora sejam responsáveis por uma significativa parcela na redução do perigo e do volume inundado, somente as LIDs não seriam suficientes por eliminar totalmente as inundações na região. Mudanças estruturais, como o redimensionamento dos condutos nos sistemas de drenagem, poderiam ajudar a anular completamente as inundações e os perigos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The increase in runoff volume due to urban sprawl has imposed a challenge to current urban drainage systems and future projects in order to add sustainable strategies for effective flood control especially in consolidated urban areas that would require retrofitting of urban areas with additional social and economic costs. This study is aimed at evaluating alternatives of drainage solutions in a consolidated urban area in the Federal District of Brazil, located in Savanna region, based on the reduction of peak flow and flooded volume in the areas exposed to flood hazard. Different solutions based on the concepts of Low Impact Development (LID) were simulated, showing that the current traditional drainage system is not in compliance with local regulations in the Federal District. In addition, the use of permeable pavements and stormwater ponds could reduce at least 46% of the flooded volume. When placed along with the drainage network, not only at the outlet, stormwater ponds were able to reduce the flooded volume and its hazard and damages. However, LIDs solutions were not able to completely eliminate floods in the region. Structural changes, as resizing the conduits into the drainage systems in the area, could improve the drainage system effectiveness avoiding floods and respective hazards and damages.
  • Analysis of the fluviometric network of Rio das Velhas using Entropy Scientific/technical Article

    Pádua, Luiz Henrique Resende de; Nascimento, Nilo de Oliveira; Silva, Francisco Eustáquio Oliveira e; Alfonso, Leonardo

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Neste trabalho foi realizado um estudo comparativo, onde foram empregados diferentes métodos disponíveis na literatura que buscam avaliar a quantidade de estações e a qualidade da informação gerada pela rede hidrométrica de uma bacia hidrográfica, utilizando conceitos da Teoria da Informação. A ideia subjacente é a da chamada rede ótima, cuja função, segundo a World Meteorological Organization (WMO), é a de atender, de forma otimizada e a baixo custo, o objetivo precípuo da hidrometria, qual seja, o de oferecer a informação necessária com um número mínimo de estações corretamente posicionadas na bacia. Metodologias baseadas na Teoria da Informação ascendem para ocupar a lacuna sobre um método padrão para projeto de redes hidrométricas. Os métodos avaliados foram aplicados à sub-bacia do Rio das Velhas pertencente à bacia do Rio São Francisco, no Brasil. Os resultados demonstraram que os métodos analisados, os quais se valem do conceito de entropia, são adequados e eficientes para avaliação de redes fluviométricas existentes, uma vez que permitem a redução de eventuais redundâncias e ao mesmo tempo, buscar a maximização da informação gerada. Foi possível compará-los e indicar o método mais adequado à aplicação dentro do contexto nacional, assim como indicar novas metodologias para utilização dos mesmos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In this work a comparative study was carried out, in which different methods were used in the literature that seek to evaluate the number of stations and the quality of the information generated by the hydrometric network of a watershed, using Information Theory concepts. The underlying idea is the so-called optimal network whose function, according to World Meteorological Organization (WMO) is to optimally and inexpensively meet the primary goal of hydrometry, which is to provide the necessary information with a minimum number of stations correctly positioned in the basin. Methodologies based on Information Theory ascend to fill the gap on a standard method for the design of hydrometric networks. The evaluated methods were applied to the subbasin of the Rio das Velhas belonging to the São Francisco River basin in Brazil. The results showed that the methods analyzed, which use the concept of entropy, are adequate and efficient for evaluation of existing fluviometric networks, since they allow the reduction of eventual redundancies and at the same time, seek to maximize the information generated. It was possible to compare them and indicate the most appropriate method for the application within the national context, as well as indicate new methods for use thereof.
  • Numerical modeling for the urban drainage gallery systems design Scientific/technical Article

    Bohnenberger, José Carlos; Cesar, Kleos Magalhães Lenz; Calijuri, Maria Lúcia

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Considerando as frequentes inundações dos centros urbanos, as limitações financeiras e a gestão ineficiente dos sistemas de Drenagem Urbana (DU) dos municípios brasileiros, é necessário que projetos sejam desenvolvidos com eficiência e economia. Estes objetivos são alcançados com a correta definição do diâmetro nominal e da declividade das galerias, que resultem em relações hidráulicas adequadas. Deve-se ainda garantir o escoamento sem a presença de remanso, verificando a linha de energia ao longo da rede. Existem softwares capazes de auxiliar no dimensionamento da rede, que, porém, não reportam soluções otimizadas. Apresenta-se uma modelagem numérica vetorial para o dimensionamento automático e otimizado de um sistema de galerias de DU. Aplicou-se esta modelagem num projeto e seus resultados foram comparados com os obtidos por dois softwares existentes no mercado brasileiro. Demonstra-se que a otimização desenvolvida contribui para aumentos de eficiência e economia nos projetos. As principais contribuições científicas são: caracterizar e modelar as declividades típicas de projeto, para obter a declividade ótima combinada com o menor diâmetro; explorar o potencial das lâminas d’água acima das normalmente empregadas, com reflexos positivos na definição de {D, ig} e na economia na implantação do sistema; e implementar uma solução recursiva a partir de um ciclo de informações interdependentes, garantindo precisão dos resultados.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Considering the frequent flooding of urban centers, the financial limitations and the inefficient management of Urban Drainage (UD) systems in Brazilian municipalities, it is necessary that projects be developed efficiently. These objectives are achieved with the correct definition of the diameter and galleries slope, resulting in adequate hydraulic ratios. It is also necessary to guarantee the flow without backwater, by verifying the energy grade line along the network. There are software capable of assisting the calculation, which, however, do not report optimized solutions. A vector-based numerical modeling is presented for the optimized sizing of a UD gallery system. This model was applied in an area and its results were compared with those obtained by two software in the Brazilian market. It is demonstrated the optimization developed contributes to increases the efficiency in the design. The main scientific contributions are: to characterize and model the typical design slopes, to obtain the optimum slope combined with the smaller diameter; to explore the potential of the hydraulic ratios above those normally employed, with positive effects on the definition of {D, ig} and the economy in the system; and to implement a recursive solution from a cycle of interdependent information, ensuring accuracy of results.
  • Disaggregation of daily rainfall data for the Caraguatatuba city, in São Paulo State, Brazil Scientific/technical Article

    Martins, Daniela; Gandini, Maria Luiza Teofilo; Kruk, Nadiane Smaha; Queiroz, Paulo Ivo Braga

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O objetivo deste trabalho é apresentar coeficientes de desagregação para chuvas intensas diárias do posto E2-046, situado em Caraguatatuba - SP. Os dados obtidos por meio do pluviógrafo se referem a um período contínuo (31 anos de série) e possuem forte correlação com as leituras do pluviômetro, validando as leituras do pluviógrafo, o que atribuiu maior confiabilidade aos resultados. O coeficiente médio “24 horas”/“1 dia” encontrado para a região de estudo foi 1,075, o qual difere dos valores encontrados na literatura. O desvio relativo considerando outras durações, e consequentemente outros coeficientes de precipitação, em relação à média da literatura chegou a 22,06% (18 horas/“24 horas”). O desvio relativo de coeficientes de desagregação para pequenas durações do posto estudado em relação à média de coeficientes para as cidades do Estado de São Paulo foi bastante elevado, atingindo quase 50% (10 minutos/“24 horas”). Tais desvios reforçam a necessidade de utilização de coeficientes de desagregação locais.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The objective of this study is to present disaggregation coefficients for intense daily rainfalls for E2-046 rainfall station, located at Caraguatatuba, São Paulo state. The data obtained through rain gauge refer to a continuous period (31 years of series) and had a strong correlation with the measurements of the rain gauge, validating the pluviographs reading, which attributed greater reliability to the results. The average coefficient “24 hours”/“1-day” found for the study region was 1.075, which differs significantly from the values found in literature. The relative deviation considering other durations, and consequently other precipitation coefficients in relation to the mean values of the disaggregation values of the E2-046 station reached 22.06% (18 hours/“24 hours”). The relative deviation of rainfall disaggregation coefficients of the station studied in relation to the mean coefficients for the cities of São Paulo State to small durations was quite high, reaching almost 50% (10 minutes /“24 hours”). This reinforces the need of using local disaggregation coefficients.
  • Regionalization of hydrological model parameters for the semi-arid region of the northeast Brazil Scientific/technical Article

    Virães, Múcio Valença; Cirilo, José Almir

    Abstract in Portuguese:

    ABSTRACT This work deals with the regionalization of parameters of hydrological models in semi-arid regions with data scarcity, focusing on part of the Brazilian semi-arid region that involves the States of Ceará, Rio Grande do Norte, Paraíba and Pernambuco. The hydrological model adopted was the MODHAC - Self-Calibrating Hydrological Model. A total of 45 fluviometric gauge stations were selected with a minimum of eight consecutive years after 2000, in addition to the records from previous years. The main regionalization criterion was the proximity between the available flow gauge stations, also evaluating the choice based on physical and climatic properties for some stations. An analysis was made of factors that affect the quality of the flow series, as well as the rainfall gauge station network. The influence of reservoirs on these data and the deactivation of many rainfall stations were the most frequent problems. Considering different performance indicators, such as the Nash Efficiency Coefficient for the flow square root that was satisfactory in 63% of the cases, according to reference values presented in the literature the procedure was reasonably successful in quantifying the higher and medium flow, but it did not present in general a sound adjustment of the lower flows.

    Abstract in English:

    RESUMO Este estudo analisa a regionalização de parâmetros de modelos hidrológicos em regiões semiáridas com escassez de dados, tendo como foco parte do semiárido brasileiro que envolve os Estados do Ceará, Rio Grande do Norte, Paraíba e Pernambuco. O modelo hidrológico adotado foi o MODHAC - Modelo Hidrológico Auto-Calibrável. Foram selecionadas 45 estações fluviométricas com um mínimo de oito anos consecutivos de dados consistidos a partir do ano 2000, além dos registros de anos anteriores. O principal critério para regionalização foi a proximidade entre as estações fluviométricas disponíveis, sendo também avaliada a escolha com base em propriedades físicas e climáticas para algumas estações. Foi feita análise de fatores que afetam a qualidade das séries de vazões, bem como da rede de monitoramento pluviométrico. A influência de reservatórios sobre esses dados e a desativação de muitas estações de monitoramento das precipitações foram os problemas mais frequentes. Considerando diferentes indicadores de desempenho, como o Coeficiente de Nash para a raiz quadrada das vazões satisfatório em 63% dos casos, de acordo com valores de referência apresentados na literatura, o procedimento teve razoável sucesso para quantificar as vazões mais elevadas e médias, porém não apresentou em geral bom ajuste das vazões mais baixas.
  • Evaluation of baroclinic effects on mean water levels in Guanabara Bay Scientific/technical Article

    Andrade, Verônica Silveira de; Rosman, Paulo Cesar Colonna; Azevedo, José Paulo Soares de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Este trabalho analisa aspectos hidrodinâmicos do sistema estuarino da Baía de Guanabara, localizado na costa sul do estado do Rio de Janeiro, Brasil. Padrões de circulação hidrodinâmica foram caracterizados, com e sem influência de gradientes de pressão baroclínicos devido a diferenças de densidade da água, para cenários típicos de verão e de inverno. A avaliação foi realizada por meio de simulações computacionais de circulação hidrodinâmica, com a utilização de modelos do Sistema Base de Hidrodinâmica ambiental, entitulado SisBaHiA. As modelagens indicam que a não inclusão de efeitos baroclínicos nos gradientes de pressão subestima níveis médifnefos de água na Baía de Guanabara em valores de até 5 centímetros dependendo da região e da época do ano. Entretanto, os padrões de circulação hidrodinâmica com ou sem gradientes de pressão baroclínicos são muito similares, como mostram os mapas de circulação em diferentes fases de maré.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This study analyzes hydrodynamic aspects of the Guabanara Bay estuarine system, which is in the southern coast of the state of Rio de Janeiro, Brazil. Hydrodynamic circulation patterns were characterized, with and without the influence of baroclinic pressure gradients due to water density differences. Typical summer and winter scenarios are considered. The evaluation adopted computational simulations of hydrodynamic circulation, using models from the environmental hydrodynamic base system, entitled SisBaHiA. The simulations indicate that by disregarding baroclinic effects in the pressure gradients, the mean water levels in the Guanabara Bay are underestimated up to 5 centimeters, depending on the region and season of year. However, the hydrodynamic circulation patterns with or without baroclinic pressure gradients are very similar, as shown by the circulation patterns maps in different tidal phases.
  • SYHDA – System of Hydrological Data Acquisition and Analysis Technical Note

    Vargas, Marcelle Martins; Beskow, Samuel; Caldeira, Tamara Leitzke; Corrêa, Leonardo de Lima; Cunha, Zandra Almeida da

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A aquisição e a análise de séries hidrológicas são tarefas indispensáveis para estudos hidrológicos em bacias hidrográficas, no entanto, demandam tempo e normalmente apresentam complexidade e estão susceptíveis a erros humanos. A fim de minimizar estes problemas, frequentemente são empregadas ferramentas computacionais de análises hidrológicas, no entanto, existem poucas destas no Brasil. Esta nota técnica visa disponibilizar um documento estruturado com informações sobre a motivação, desenvolvimento, concepção, principais funcionalidades e aplicações do System of Hydrological Data Acquisition and Analysis (SYHDA). O SYHDA é um software de aquisição e análise de dados hidrológicos de chuva e vazão totalmente idealizado para permitir ao usuário trabalhar com os principais bancos de dados do país aplicados à hidrologia. Possui diversos módulos que contemplam análise por estatísticas descritivas e ferramentas gráficas, análise de sazonalidade de vazões, testes não paramétricos e modelagem probabilística local e regional. O SYHDA já foi empregado em inúmeros estudos científicos, os quais dão embasamento para afirmar que o software demonstra grande potencial para ser utilizado em atividades tanto cotidianas quanto complexas demandadas pela comunidade científica e técnica de hidrologia e de áreas afins.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Acquisition and analysis of hydrological series are essential activities for hydrological studies in watersheds. However, they require time and are usually complex and susceptible to human errors. In order to minimize these problems, computational tools are often used for hydrological analysis, although there are few of them in Brazil. This technical note aims to provide a structured document with information on the motivation, development, conception, main functionalities, and applications of the System of Hydrological Data Acquisition and Analysis (SYHDA). SYHDA is a software intended for acquisition and analysis of hydrological data (rainfall and streamflow) and was fully idealized to enable the user to deal with the country’s leading hydrology databases. It has several modules that include analysis by descriptive statistics and graphical tools, seasonality analysis of streamflows, non-parametric tests, and at-site and regional probabilistic modeling. SYHDA has been used in numerous scientific studies, which give grounds to affirm that it demonstrates a great potential to be used in both everyday and complex activities demanded by the scientific and technical community of hydrology and related areas.
  • Analysis of methodologies for determination of the economic pipe diameter Technical Note

    Gama, Cléber Henrique de Araújo; Souza, Vladimir Caramori Borges de; Callado, Nélia Henriques

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O dimensionamento de sistemas adutores passa, sobretudo, pela determinação de um diâmetro que atenda às necessidades do sistema e acarrete em menores custos anuais de instalação e operação. Dentre as metodologias existentes para determinação do diâmetro econômico, a Fórmula de Bresse ainda é comum entre projetistas. Este trabalho teve como objetivo analisar a eficiência da Fórmula de Bresse, do MBPC e do MVLCT, comparando com o Método da Avaliação Real dos Custos. Ao fim deste trabalho, recomenda-se que o MBPC e o MVLCT não sejam utilizados pelos projetistas. Quando tratar-se de adutoras de pequeno porte, é possível a utilização da Fórmula de Bresse, desde que seja utilizada com um valor adequado, variável em função do material, para o seu coeficiente k. Para o PEAD, propõe-se k = 1,17 ou k = 1,18. Para o PVC DEFOFO e PRFV, sugerem-se os intervalos de 1,19 a 1,23 e 1,29 a 1,32, respectivamente. Tratando-se de adutoras com dimensões maiores, recomenda-se a utilização do MARC como metodologia para determinação do diâmetro econômico, por não ser possível encontrar um valor apropriado ao coeficiente de Bresse.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The design of water distribution systems includes, above all, the determination of the pipe size that meets the requirements of the system and brings reduced annual costs of installation and operation. Among the existing methodologies for the economic pipe diameter determination, Bresse’s equation is still common among designers. This work aims to analyze the efficiency of Bresse’s equation, the MBPW and the MLVPC, comparing them with the MREC. We recommend that the designers do not use the MBPW and the MLVPC. When referring to water distribution systems of small size, it is possible to use the equation of Bresse, as long as it is used with a proper value for its coefficient k. For HDPE, we propose k = 1.17 or k = 1.18. For PVC DEFOFO and GFRP, we suggest the range of 1.19 to 1.23 and 1.29 to 1.32, respectively. Regarding the water distribution systems of bigger dimensions, we recommend the use of MREC as the methodology for the economic pipe diameter determination, due to the impossibility of finding an appropriate value for the Bresse’s equation coefficient.
  • A methodology to assess vulnerability in small communities drinking water systems Technical Note

    Debiasi, Ronaldo; Benetti, Antônio Domingues

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Em muitos países, pequenos sistemas comunitários têm um importante papel como supridores de água para consumo humano para grande parte da população. Estes sistemas devem ser avaliados com respeito a suas capacidades em produzir e entregar água segura para consumo humano. Como existem milhares de pequenos sistemas a serem avaliados nas regiões, é necessário desenvolver procedimentos para selecionar uma amostra representativa, assim como a escolha de indicadores que deem informações sobre o estado dos sistemas. O objetivo deste estudo foi propor e aplicar uma metodologia para avaliar a vulnerabilidade de pequenos sistemas comunitários de água para consumo humano. A metodologia inclui indicadores de vulnerabilidade, classificação e índice. Como estudo de caso, a metodologia foi aplicada para determinar a vulnerabilidade de pequenos sistemas no estado do Rio Grande do Sul, Brasil. As informações coletadas com a aplicação da metodologia proposta indicaram que 67% dos sistemas considerados foram classificados como tendo vulnerabilidades altas e médias, desta forma com risco de estarem distribuindo água que não é segura para consumo humano.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In many countries, small community systems have an important role as suppliers of drinking water for large part of the population. These systems must be evaluated with respect to their capacity to produce and deliver safe drinking water. As there are thousands of small systems to be evaluated in any given region, it is necessary to develop a procedure for selecting a representative sample, as well as the use of indicators that can provide information about the state of the systems. The objective of this study was to propose and apply a methodology to evaluate the vulnerability of small communities drinking water systems. The methodology includes the application of a statistical method to select a representative sample of systems in a region. It also proposes vulnerability indicators, ratings and an index. As a case study, the methodology was applied to determine the vulnerability of small community drinking water systems in the state of Rio Grande do Sul, Brazil. Data collected with application of the proposed methodology indicated that 67% of the surveyed systems were classified as having intermediate and high levels of vulnerabilities, hence at risk of distributing water that is not safe for drinking.
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