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  • Extreme pressure forecasting methodology for the hydraulic jump downstream of a low head spillway Scientific/Technical Article

    Hampe, Roberta Ferrão; Steinke, Renato; Prá, Maurício Dai; Marques, Marcelo Giulian; Teixeira, Eder Daniel

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Pressões extremas no ressalto hidráulico são associadas a riscos de danos no sistema extravasor de barragens por uma série de mecanismos. Assim sendo, o entendimento e a previsão destes esforços são cruciais para o dimensionamento seguro e econômico de sistemas extravasores. Este trabalho visa validar um método existente de previsão de pressões para a estimativa de pressões extremas em ressaltos hidráulicos com baixo número de Froude (abaixo de 4,5). Os resultados indicam que o método pode ser empregado para esta situação de forma preliminar. Recomenda-se que outros estudos sejam feitos para refinar a técnica e para que resultados mais precisos sejam obtidos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Extreme pressures in the hydraulic jump are associated with risk of damage to the flow discharge system of dams by a series of mechanisms. Therefore, understanding and predicting these efforts are crucial for the safe and economical design of discharge systems. Thus, this paper aims to validate an existing pressure forecasting methodology for estimating the extreme pressure in the hydraulic jump with low Froude number (below 4.5). Results have shown that the method may be used for this situation on a preliminary basis. Further studies are recommended to refine the technique and to achieve results that are more precise.
  • Alternative model of intense rainfall equation obtained from daily rainfall disaggregation Scientific/Technical Article

    Back, Álvaro José

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O objetivo foi a proposição de um modelo alternativo de equação Intensidade-Duração-Frequência de chuvas intensas com base na desagregação da chuva diária. Foram utilizados dados pluviométricos da estação pertencente a Agência Nacional de Águas (código 02649018) do período de 1968 a 2011. Foram ajustadas diversas distribuições probabilísticas para séries de eventos extremos. Com as relações entre chuvas de diferentes durações foram estimadas as intensidade de chuva com período de retorno de 2 a 100 anos e durações de 5 a 1440 minutos. Foram ajustados os coeficientes da equação IDF tradicionalmente usada, obtendo soma de quadrados de desvios de 695,1 (mm h-1)2 e erro padrão de estimativa de 2,69 mm h-1. Para o modelo de equação de chuvas intensas proposto, que relaciona a intensidade e a duração da chuva com a chuva máxima diária, obteve-se a soma de quadrados dos desvios de 33,6 (mm h-1)2 e erro padrão de estimativa de 0,59 mm h-1. Quando incluído no modelo o período de retorno, obteve-se a soma dos quadrados dos desvios de 129,4 (mm h-1)2, com erro padrão de estimativa de 1,16 mm h-1. O modelo proposto além de melhor precisão de estimativa, tem as vantagens de facilitar a atualização apenas pela alteração da chuva máxima diária e auxiliar a representação espacial.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The objective of this work was to propose an alternative model of IDF equation based on the disaggregation of daily rainfall. Data from the rainfall gauge station code 02649018 of the Brazilian National Water Agency from the period 1968 to 2011 were used. Several extreme event probability distributions were adjusted. Rainfall intensity with a return period of 2 to 100 years and durations of 5 to 1440 minutes were estimated using the relationships between rainfall for different durations. The four coefficients of the traditionally used IDF equation were adjusted, obtaining a sum of squares of deviations equal to 695.1 (mm.h-1)2 and standard error of estimation equal to 2.69 mm.h-1. For the model of the intense rainfall equation proposed, that relates the rain intensity and duration with the maximum daily rainfall, the sum of squares of the deviations was 33.6 (mm.h-1)2 and the standard estimated error was 0.59 mm.h-1. Including the return period in the model, we obtained squares of the deviations of 129.4 (mm.h-1)2, with a standard error of estimation of 1.16 mm.h-1. The models proposed have, besides better estimation accuracy, the advantages of facilitating the updating only by updating the maximum daily precipitation and sub serve the spatial representation.
  • Combination of experimental and numerical approaches to determine the main characteristics of skimming flow in stepped spillways Scientific/Technical Article

    Tassinari, Lucas Camargo da Silva; Sanagiotto, Daniela Guzzon; Marques, Marcelo Giulian; Lauffer, Luísa Lüdtke; Trierweiler, Edgar Fernando

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A abordagem tradicional para a caracterização hidrodinâmica do escoamento sobre vertedouros em degraus é feita através da modelagem física, a qual é suscetível aos efeitos de escala e possui limitações relacionadas ao aparato experimental, espaço físico de laboratório e discretização espacial da obtenção de dados. A fluidodinâmica computacional é uma importante ferramenta de análise dos escoamentos, pois, se utilizada corretamente, apresenta grande potencial de aplicação na engenharia hidráulica. Neste trabalho, foi utilizada fluidodinâmica computacional para modelar o escoamento deslizante sobre turbilhões em um vertedouro em degraus. Buscou-se investigar os efeitos de possíveis erros de medição de pressão devido às incertezas na posição dos medidores dentro dos degraus. O modelo numérico foi validado através de dados de pressão obtidos experimentalmente e dados de velocidade encontrados na literatura. Os resultados mostram que os melhores valores de fração de água (α) que definem a superfície livre são α = 0,30 para a região não aerada e α = 0,10 para a região aerada. Utilizando-se dados experimentais, foram calculados parâmetros estatísticos para estimar pressões extremas. O uso destes parâmetros, em conjunto com os resultados das simulações, permite definir que as pressões extremas positivas ocorrem na região 0,81 < x/l < 0,98 nos patamares e as mínimas na região 0,93 < y/h < 0,98 nos espelhos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The traditional approach for the hydrodynamic characterization of the flow down stepped spillways is through physical modeling, which is susceptible to scale effects and has limitations related to experimental apparatus, laboratory space and the spatial discretization of data collection. Computational fluid dynamics (CFD) is an important tool for hydrodynamic analysis because, if used properly, it presents great potential for application in hydraulics. In this work, CFD was used to model the skimming flow down a stepped spillway to investigate the effects of possible pressure measurement errors due to uncertainties in the position of the sensors within the steps. The numerical model was validated through literature velocity profiles and pressure experimental data. The results showed that the best values of water fraction (α) to define free surface are α = 0.30 in the nonaerated region and α = 0.10 in the aerated region. Statistical parameters were calculated using experimental data to estimate extreme pressures. These parameters and the simulation results were used to determine that the extreme maximum and minimum pressures occur, respectively, in the region of 0.81 < x/l < 0.98, in the horizontal faces, and in the region of 0.93 < y/h < 0.98, in the vertical faces.
  • Estimating groundwater resources of the Içá-Solimões Aquifer System in the Urucu Oil Province Central Amazon Region, Brazil, focused on a balance between availability and water demand Scientific/Technical Article

    Galvão, Paulo; Souza, Eliene Lopes de; Demétrio, José Geilson; Baessa, Marcus Martins

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A informação hidrogeológica ainda é escassa na região amazônica, sendo necessários mais estudos para melhorar a compreensão dos contextos hidrogeológicos locais. O objetivo deste artigo, focado na Província Petrolífera de Urucu, Amazônia Central brasileira, é estimar quantitativamente os recursos hídricos subterrâneos do Sistema Aquífero Içá-Solimões (SAIS) na região. O trabalho concentra-se no equilíbrio entre a disponibilidade e a demanda de água considerando os usos atuais e futuros contribuindo para um uso sustentável e integrado das águas subterrâneas. Análises cartográficas, litológicas e geofísicas foram feitas em conjunto com dados hidráulicos do SAIS (transmissividade, condutividade hidráulica e coeficiente de armazenamento) e suas geometrias aquíferas locais, bem como mapa de superfície potenciométrica para estimar valores de recursos hídricos subterrâneos totais e renováveis, rendimentos sustentáveis e capacidades de instalações de campo. Os resultados mostraram que a porção do Sistema Aquífero Içá-Solimões tem um recurso total de água subterrânea de 0,45 km3. Como há uma projeção de consumo de água subterrânea para 2050 perto de 2,7 x 10-3 km3 ano–1 e o sistema aquífero tem um rendimento sustentável de 3 x 10-3 km3 ano–1, a atual alocação de recursos para a taxa de consumo futuro parece ser sustentável.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Hydrogeologic information is still scarce in the Amazon region being required more studies for improving the understanding of local hydrogeologic contexts. The goal of this paper, focused on the Urucu Oil Province, Brazilian Central Amazon, is to quantitatively estimate groundwater resources of the Içá-Solimões Aquifer System (ISAS) in the region. The work focuses on a balance between availability and water demand, considering current and future uses, contributing to a sustainable and integrated use of groundwater. Cartographic, lithologic and geophysical logs were analyzed coupled with ISAS hydraulic data (transmissivity, hydraulic conductivity, and storativity) and its local aquifer geometries, as well as the potentiometric surface map to estimate values of total and renewable groundwater resources, sustainable yields, and well-field facility capacities. Results showed the portion of the Içá-Solimões Aquifer System has a total groundwater resource of 0.45 km3. As there is a groundwater consumptive projection to 2050 close to 2.7 x 10-3 km3 yr–1 and the aquifer system has a sustainable yield of 3 x 10-3 km3 yr–1, the current resource allocation for future consumption rate appears to be sustainable.
  • Analysis of currents on the continental shelf off the Santa Catarina Island through measured data Scientific/Technical Article

    Dalbosco, Anna Luiza Pacheco; Franco, Davide; Barletta, Rodrigo do Carmo; Trevisan, Alexandre Bach

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO As correntes costeiras e as forçantes que as regem ainda são pouco conhecidas na plataforma continental interna de Santa Catarina. Por isso, este trabalha teve como objetivo analisar os dados de correntes medidos ao largo da Ilha de Santa Catarina a fim de compreender melhor os seus padrões e forçamentos. As três estações de medição foram instaladas em águas rasas próximas à Reserva Marinha Biológica do Arvoredo (ST01), Praia de Jurerê (ST02) e Praia dos Ingleses (ST03). Os dados foram coletados por um medidor de correntes no período compreendido entre 22/01/2014 à 17/12/2014. No conjunto de dados consistido foi realizada uma análise estatística básica, decomposição espectral e análise harmônica nas componentes de maré. Todas as estações apresentaram um escoamento resultante para sul, especialmente a estação próxima a Reserva Biológica Marinha o Arvoredo (ST01). A forçante meteorológica possui forte contribuição na magnitude e direção da componente v (ao longo da costa). Enquanto a componente mareal tem maior importância no fluxo através da costa (componente u). O vento apresentou uma forte correlação com as correntes e o nível local, indicando ser a forçante principal do escoamento na frequência submareal.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The coastal currents and forcing agents that conduct them are still little-known in the internal continental shelf of Santa Catarina. Therefore, this work aimed to analyze the data of currents measured off the Island of Santa Catarina in order to better comprehend its patterns and forcing agents. The three measuring stations were installed in shallow water near the Arvoredo Biological Marine Reserve (ST01), Jurerê Beach (ST02) and Ingleses Beach (ST03). Data were collected by a current meter from January 22, 2014 to December 17, 2014. In the consisted data set, it was performed a basic statistical analysis, spectral decomposition and harmonic analysis in the tide components. All the stations presented a resulting southward flow, especially the station next to Arvoredo Marine Biological Reserve (ST01). The meteorological forcing has a strong contribution to the magnitude and direction of component v (alongshore). While the tidal component has greater importance in the cross-shore flow (component u). The wind showed a strong correlation with currents and the local level, indicating to be the main forcing agent of the flow in the subtidal frequency.
  • Simulation of the occurrence of drought events via copulas Scientific/Technical Article

    Almeida, Rogério de; Barbosa, Paulo Sérgio Franco

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Este estudo apresenta um método baseado em cópulas Arquimedianas e Gaussiana para simular a ocorrência de secas hidrológicas. As secas foram caracterizadas pela teoria dos runs para quatro níveis de truncamento e, seis distribuições de probabilidade uni-variadas foram avaliadas para representar o comportamento probabilístico de suas severidades e durações. O Critério de Informação de Akaike foi usado para selecionar os melhores modelos probabilísticos uni-variados, enquanto que, suas hipóteses de aderência aos dados históricos foram avaliadas pelo teste de Kolmogorov-Smirnov. Tendo como base as distribuições de probabilidade das severidades e durações, copulas Arquimedianas e Gaussiana foram utilizadas na análise bivariada dos eventos de seca. O método proposto se mostra como ferramenta viável para simular a ocorrência de eventos de seca, preservando as leis de probabilidade das severidades e durações e a dependência entre ambas.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This study presents a method based on Archimedean and Gaussian copulas to simulate the occurrence of hydrological droughts. The droughts were characterized by theory of runs for four threshold levels and six univariate probability distributions were evaluated to represent the probabilistic behavior of their severities and durations. The Akaike Information Criterion was used to select the better univariate probabilistic models, while their hypotheses of goodness-of-fit to the historical data were evaluated by Kolmogorov-Smirnov test. Based on the univariate probability distributions of severities and durations, Archimedean and Gaussian copulas were used in the bivariate analysis of the drought events. The proposed method proves to be a useful tool to simulate the occurrence of drought events, preserving the laws of probability of the severities and durations and the dependency between both.
  • A regional similarity-based approach for sub-daily rainfall nonparametric generation Scientific/Technical Article

    Aguilar, Milena Guerra de; Costa, Veber Afonso Figueiredo

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Séries de precipitação de alta resolução temporal são necessárias para a modelagem de eventos regulares e extremos em projetos de sistemas pluviais urbanos, simulação de vazões em pequenas bacias, estudos de balanços hídricos e modelagem de inundações de curta duração, por exemplo. Não obstante, amostras longas e contínuas de precipitação subdiária são, via de regra, difíceis de ser encontradas. Para contornar o problema da limitada disponibilidade de dados de alta resolução temporal tanto na escala temporal como na espacial, esse artigo explorou uma versão alternativa do algoritmo dos k-ésimos vizinhos mais próximos, acoplada ao método dos fragmentos, (modelo KNN-MOF), que se baseia nos estados de chuva para simulação de dias chuvosos consecutivos e em uma abordagem de similaridade regional para amostragem dos fragmentos de estações similares próximas a estação de interesse. O método de desagregação proposto foi aplicado para um grupo de 40 postos pluviográficos localizados nas bacias dos rios Doce e São Francisco. A desagregação da precipitação diária foi realizada para as durações de 60, 180 e 360 minutos. Os resultados indicaram que o mesmo apresentou um desempenho apropriado para a desagregação de precipitação diária, reproduzindo as estatísticas como média, variância e assimetria para as durações analisadas. Adicionalmente, o comportamento dos máximos anuais, mesmo para baixas probabilidades de excedência, foi relativamente bem descrito, ainda que nem toda a variabilidade esperada dos quantis tenha sido abrangida pelo modelo. De forma geral, a abordagem proposta mostrou-se uma alternativa coerente e de fácil implementação para simular séries contínuas de precipitação subdiária a partir de registros de menor resolução temporal.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Rainfall time series with high temporal resolution are required for estimating storm events for the design of urban drainage systems, for performing rainfall-runoff simulation in small catchments and for modeling flash-floods. Nonetheless, large and continuous sub-daily rainfall samples are often unavailable. For dealing with the limited availability of high-resolution rainfall records, in both time and space, this paper explored an alternative version of the k-nearest neighbors algorithm, coupled with the method of fragments (KNN-MOF model), which utilizes a state-based logic for simulating consecutive wet days and a regionalized similarity-based approach for sampling fragments from hydrologically similar nearby stations. The proposed disaggregation method was applied to 40 rainfall gauging stations located in the São Francisco and Doce river catchments. Disaggregation of daily rainfall was performed for the durations of 60, 180 and 360 minutes. Results indicated the model presented an appropriate performance to disaggregate daily rainfall, reasonably reproducing sub-daily summary statistics. In addition, the annual block-maxima behavior, even for low exceedance probabilities, was relatively well described, although not all expected variability in the quantiles was properly summarized by the model. Overall, the proposed approach proved a sound and easy to implement alternative for simulating continuous sub-daily rainfall amounts from coarse-resolution records.
  • Scenarios of climate change effects in water availability within the patos Lagoon’s Basin Scientific/Technical Article

    Schuster, Raíza Cristóvão; Fan, Fernando Mainardi; Collischonn, Walter

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os processos de tomada de decisão que envolvem recursos hídricos no Brasil e países vizinhos vêm se baseando unicamente em análises do comportamento histórico de variáveis hidrológicas e climatológicas. Entretanto, isto pode levar a estratégias equivocadas relacionadas ao uso dos recursos naturais, pois o impacto das mudanças climáticas no comportamento das vazões futuras pode alterar consideravelmente a disponibilidade de recursos hídricos. Na presente pesquisa foi realizada uma análise da variação das disponibilidades hídricas de bacias hidrográficas contidas na área de contribuição à Laguna dos Patos, Rio Grande do Sul - Brasil, e Uruguai, que pode ser consequência das mudanças climáticas previstas por modelos globais do CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5), publicados no mais recente relatório do IPCC (International Panel on Climate Change). Dois períodos futuros de 30 anos foram simulados, de 2006 a 2035 e de 2051 a 2080, utilizando o modelo hidrológico MGB-IPH, considerando dois cenários extremos de emissões de gases de efeito estufa e vinte modelos climáticos. Foi possível verificar uma tendência de aumento das vazões na bacia hidrográfica simulada, pois mais de 60% das simulações realizadas indicou algum percentual de aumento de vazões médias em todas as unidades de discretização modeladas. A análise dos resultados das simulações indicou que os dados dos modelos climáticos HadGEM2-ES e GFDL-CM3 utilizados como dados de entrada no modelo hidrológico são os que fornecem, respectivamente, limiares superiores e inferiores de vazão do conjunto de resultado simulados. A avaliação conjunta dos resultados gerados por estes dois modelos, associados ao cenário de altas emissões de gases de efeito estufa, é capaz de gerar cenários extremos de vazões que são projetados para o futuro considerando as mudanças climáticas na bacia hidrográfica da Laguna dos Patos. Já os resultados fornecidos pelos modelos bcc-csm1-1, BNU-ESM e CNRM-CM5 são similares à mediana do conjunto das simulações geradas por todos os modelos avaliados nesta pesquisa. Além disso, a região mais ao norte da área de estudo foi identificada como as que apresenta maior sensibilidade às mudanças climáticas projetadas pelos modelos globais do CMIP5.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The decision-making processes involving water resources in Brazil and in neighboring countries have been based solely on analyses of the historical behavior of hydroclimatological variables. However, this may lead to inappropriate strategies in regards to the use of natural resources, since the impact of future climate change may significantly affect the availability of water resources. This study proposes an analysis of the variation in water availability of basins within the Patos Lagoon contribution area, which may be a consequence of climatic changes predicted by CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) models, published in the most recent International Panel on Climate Change (IPCC) report. Two 30-year periods were simulated, from 2006 to 2035 and from 2051 to 2080, through the MGB-IPH hydrological model, considering two extreme greenhouse gas scenarios and twenty climate change models. A tendency of increase of the flows was verified in the simulated basin, since over 60% of the simulations indicated some percentage of average flow increase across all discretized modeling units. The analysis of the simulation results indicated that the data from climatic models HadGEM2-ES and GFDL-CM3 used as input in the hydrological model are the ones that respectively provide upper and lower flow thresholds for the ensembled simulations. A joint evaluation of the results generated by these two models, associated with the scenario of high greenhouse gas emissions, is capable of covering extreme flow scenarios making predictions considering climate change in the Patos Lagoon’s basin. Whereas the results provided by bcc-csm1, BNU-ESM and CNRM-CM5 are similar to the median of the ensemble of simulations generated by all models evaluated in this research. In addition, the northernmost region of the study area was identified as having the highest sensitivity to climate change, as projected by global models of CMIP5 published in AR5.
  • Effect of the reduction of the outflow restriction discharge from the Xingó dam in water salinity in the lower stretch of the São Francisco River Scientific/Technical Article

    Fonseca, Sândira Lívia Moraes; Magalhães, Aline Almeida de Jesus; Campos, Vânia Palmeira; Medeiros, Yvonilde Dantas Pinto

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Entre os parâmetros de qualidade da água sujeitos a alterações com mudanças no fluxo do rio, a salinidade se destaca por ser intrinsicamente associada à qualidade do ecossistema. No entanto, a salinização pode causar danos irreversíveis à estrutura e função das comunidades aquáticas. Este trabalho avaliou o efeito das sucessivas reduções de vazões defluentes da barragem de Xingó na salinidade da água, no baixo trecho do rio São Francisco, Brasil. Analisou-se a salinidade a jusante da barragem, a relação entre as reduções de vazões defluentes e a salinidade, além da evolução espacial da salinidade, em função da distância dos pontos amostrais até a foz. Dados secundários de qualidade da água de 17 pontos de monitoramento foram analisados, além da realização de coletas de campo e análises em laboratório. Com as reduções das vazões defluentes, a partir de 2013, houve considerável aumento da salinidade no ponto amostral distante da foz 9 km, e com a continuidade das reduções de vazões, pontos mais afastados da foz apresentaram valores elevados de salinidade, tanto no fundo quanto na superfície. Este estudo indica valores de salinidade acima dos limites de água doce (0,5 ‰), estabelecido pela Resolução 357 do CONAMA, para consumo humano.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Among the water quality parameters subjected to changes in river flow variations, salinity stands out for being intrinsically associated to ecosystem quality. Nonetheless, salinization can cause irreversible damage to the structure and functions of aquatic communities. This work evaluated the effect of successive reductions of outflow discharges from Xingó dam in water salinity in the lower stretch of the São Francisco River, Brazil. Salinity was analysed downstream of the dam, in addition to the relation between discharge reductions and salinity levels, as well as the spatial evolution of salinity in function of the distance of the sampling points from the river mouth. Secondary water quality data from 17 monitoring points were analysed, moreover, field samples and laboratory analyses were performed. With the reductions of outflow discharges, that started in 2013, there was a considerable increase in salinity in the sampling point located 9 km far from the river mouth, and with the continuation of discharge reductions, points that are farther away from the river mouth also presented high salinity values, both in the bottom and on the surface. This study indicates salinity values above the limits of fresh water (0.5 ‰), established by the CONAMA Resolution 357, for human consumption.
  • Assessing two precipitation data sources at basins of special interest to hydropower production in Brazil Scientific/Technical Article

    Reis, Alberto Assis dos; Fernandes, Wilson dos Santos; Ramos, Maria-Helena

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Estimativas acuradas de precipitação são necessárias para avaliar as vazões dos rios, analisar riscos ligados à água (enchentes e secas) e quantificar a disponibilidade hídrica para uma ampla gama de usos da água, como abastecimento, agricultura, navegação e produção de energia. Especialmente no contexto das operações no setor elétrico brasileiro, onde o sistema elétrico é essencialmente hidrotérmico e mais de 65% de sua produção vem da geração hidrelétrica, a precipitação observada em tempo real desempenha um papel fundamental como principal variável de entrada dos modelos hidrológicos e de previsão de vazões. Assim, é crucial construir conhecimento sobre a precipitação das bacias hidrográficas e quantificar suas incertezas. Neste artigo, avaliamos duas fontes de dados de precipitação em tempo real (ou quase tempo real), o conjunto de dados TRMM-MERGE do CPETC e o conjunto de dados CPC, distribuído pela NOAA. Nossa avaliação é baseada em 41 bacias hidrográficas na América do Sul e abrange o período 1997-2017. Investigamos diferenças para diferentes resoluções de tempo (precipitação diária, mensal e anual) e seu impacto na simulação de vazões. Diferenças substanciais foram encontradas entre as duas fontes de dados, que parecem ser amplificadas na segunda década. Uma tendência espacial foi encontrada em direção a valores mais altos de precipitação TRMM-MERGE, em relação aos valores do CPC, à medida que se desloca para o norte e oeste na área de estudo. Também encontramos evidências de que as diferenças na precipitação se propagam nas vazões simuladas, com resultados que indicam que grandes diferenças percentuais na precipitação resultam em diferenças percentuais ainda maiores nas vazões.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Accurate estimates of precipitation amounts are necessary to evaluate river flows, assess water-related risks (floods and drought) and quantify water availability for a broad range of water uses, such as water supply, agriculture, navigation and energy production. Especially in the context of operations in the Brazilian electricity sector, where the electrical system is essentially hydrothermal and more than 65% of its production comes from hydroelectric generation, real-time observed precipitation plays a key role as a primary input for hydrological models and river flow forecasting. It is thus crucial to build knowledge on and quantify river basin precipitation and its uncertainties. In this paper, we evaluate two sources of real-time (or near real-time) precipitation data, the TRMM-MERGE dataset from the CPETC and the CPC dataset, distributed by NOAA. Our assessment is based on 41 river basins in South America and covers the period 1997-2017. We investigated differences for different time resolutions (daily, monthly and annual precipitation) and their impact on the simulation of streamflows. Substantial differences were found between the two data sources, which seem to be amplified in the second decade. A spatial trend was found towards higher TRMM-MERGE precipitation values than CPC values when moving from north and west in the study area. We also found evidence that differences in precipitation propagate to simulated flows, with large percent differences in precipitation resulting in even larger percent differences in streamflow.
  • Start position of a sloping hydraulic jump Scientific/Technical Article

    Wiest, Rafael André; Steinke, Renato; Teixeira, Eder Daniel; Prá, Maurício Dai; Saliba, Aloysio Portugal Maia; Marques, Marcelo Giulian

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Apesar da frequência com que ressaltos hidráulicos afogados ocorrem nas estruturas de extravasamento de barragens, são poucos os estudos que abrangem este tipo de fenômeno. Sendo o ressalto hidráulico acompanhado de impactos violentos e variações bruscas de velocidade e pressão, é importante que se conheça a região em que o fenômeno incidirá, a fim possibilitar um dimensionamento seguro e econômico. Neste trabalho, é proposta uma metodologia para a determinação da posição inicial do ressalto afogado ao longo da calha de um vertedouro do tipo Creager. Verificou-se que esta posição é função do número de Froude incidente e do grau de submergência imposto.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Although sloping hydraulic jumps are frequent in energy dissipators, there are few studies regarding this type of phenomenon. Since the jump is accompanied by violent impacts and sudden variations of velocity and pressure, it is important to know the region where the phenomenon will occur, in order to make a safe and economic design possible. In this paper, a methodology for the determination of the start position of the sloping jump along a Creager spillway is introduced. It was verified that this position is a function of both the incident Froude number and the submergence factor.
  • Impact of large reservoirs on simulated discharges of Brazilian rivers Scientific/Technical Article

    Passaia, Otávio Augusto; Siqueira, Vinícius Alencar; Brêda, João Paulo Lyra Fialho; Fleischmann, Ayan Santos; Paiva, Rodrigo Cauduro Dias de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Milhares de barragens foram construídas no mundo para diminuir os riscos de inundação, gerar energia, e maximizar os benefícios dos recursos limitados de água doce. No Brasil, os principais e maiores reservatórios são do setor elétrico. Melhorar a compreensão da dinâmica dos reservatórios é importante não só para avaliar o seu impacto no regime de vazões dos rios brasileiros, mas também para simular o efeito combinado da construção de novas barragens e potenciais alterações sob condições climáticas futuras. Neste estudo, analisa-se como uma representação ideal de reservatórios em termos de vazões substituídas melhoraria um modelo hidrológico previamente calibrado sobre o domínio brasileiro. Forçou-se a versão em escala continental do modelo MGB com defluências observadas de 109 usinas hidrelétricas, que fazem parte do Sistema Interligado Nacional (SIN) - controlados pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS). A simulação com vazões substituídas apresentou um Índice de Melhoria no Desempenho médio (IMD) para a Eficiência de Kling-Gupta (KGE) de 21%, em relação ao modelo original (i.e., vazões naturalizadas). Esta análise é um passo preliminar para uma representação explícita dos reservatórios no modelo, que será conduzida em um estudo futuro.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Tens of thousands of dams were built around the world to reduce flood risks, produce energy, and maximize benefits of limited freshwater resources. In Brazil, the main and largest reservoirs are related to hydropower plants. Improving the understanding of reservoir dynamics is important not only to evaluate their impact in the flow regime of Brazilian rivers, but also to simulate the combined effect of constructing new dams and potential alterations under future climatic conditions. Here, we analyze how an ideal representation of reservoirs in terms of forced discharge would improve a previously calibrated hydrological model under the Brazilian domain. We forced the continental-scale version of the MGB model on observed reservoir outflows from 109 hydropower dams, which are part of the Brazilian National Interconnected System controlled by the National Electrical System Operator. Model simulated flows were replaced by the reservoir outflows in all dam locations and were compared to the original discharge in downstream gauges. The forced discharge simulation presented a mean improvement for Kling-Gupta Efficiency of 21%, when compared to the original model (naturalized flow). This analysis is a preliminary step towards an explicit representation of the reservoirs in the model, what will be conducted in a future study.
  • Monitoring water content changes in a soil profile with TDR-probes at just three depths - How well does it work? Scientific/Technical Article

    Hagenau, Jens; Kaufmann, Vander; Borg, Heinz

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO As sondas TDR são usadas para monitorar alterações no conteúdo de água no perfil do solo (DW). Freqüentemente, as sondas são colocadas em três profundidades. Isso levanta a questão de como essa configuração pode mostrar os verdadeiros DW´s. Para respondê-lo, usamos um lisímetro de pesagem de alta precisão de 2 m, no qual as sondas TDR são instaladas horizontalmente a 20, 60 e 120 cm de profundidade (uma por profundidade). Os dados DW coletados pela pesagem do lisímetro foram comparados com os valores reais dos dados DW determinados com as sondas TDR. Obtivemos os seguintes resultados: Há um atraso na resposta das sondas TDR à precipitação, evaporação, transpiração ou drenagem, porque uma frente de umedecimento ou secagem deve primeiro alcançá-las. Além disso, os dados do TDR são medições pontuais que são extrapoladas para um volume de solo maior. Isso freqüentemente leva a erros. Por esses motivos, as sondas TDR em apenas três profundidades não podem fornecer dados confiáveis sobre alterações de curto prazo (por exemplo, diárias) no conteúdo de água do solo devido aos processos apresentados aqui. Por períodos mais longos (por exemplo, uma semana), os dados são melhores, mas ainda não são precisos o suficiente para estudos científicos confiáveis.

    Abstract in English:

    ABSTRACT TDR-probes are widely used to monitor water content changes in a soil profile (ΔW). Frequently, probes are placed at just three depths. This raises the question how well such a setup can trace the true ΔW. To answer it we used a 2 m deep high precision weighing lysimeter in which TDR-probes are installed horizontally at 20, 60 and 120 cm depth (one per depth). ΔW-data collected by weighing the lysimeter vessel were taken as the true values to which ΔW-data determined with the TDR-probes were compared. We obtained the following results: There is a time delay in the response of the TDR-probes to precipitation, evaporation, transpiration or drainage, because a wetting or drying front must first reach them. Also, the TDR-data are more or less point measurements which are then extrapolated to a larger soil volume. This frequently leads to errors. For these reasons TDR-probes at just three depths cannot provide reliable data on short term (e.g. daily) changes in soil water content due to the above processes. For longer periods (e.g. a week) the data are better, but still not accurate enough for serious scientific studies.
  • Numerical and experimental models applied to an ogee crest spillway and roller bucket stilling basin Scientific/Technical Article

    Morais, Vitor Hugo Pereira de; Gireli, Tiago Zenker; Vatavuk, Paulo

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Tradicionalmente utilizam-se modelos físicos construídos em escala reduzida de modo a permitir o controle, instrumentação e avaliação do escoamento. Mais recentemente a fluidodinâmica computacional (CFD) tem surgido como uma ferramenta que permite modelar, de forma numérica, os escoamentos, podendo complementar as informações fornecidas pelo modelo físico. O objetivo deste trabalho é validar a ferramenta de fluidodinâmica computacional (CFD) no escoamento sobre vertedouro do tipo Creager e dissipador roller-bucket. Esta validação foi feita com os dados de um experimento em escala reduzida em que foram feitas medições da posição da superfície livre da água e das cargas de pressão no perfil do vertedouro. Verificou-se que a ferramenta de CFD é adequada para o estudo deste tipo de fluxo, sendo capaz de reproduzir os resultados experimentais. Na execução das simulações numéricas foi dada uma atenção especial à questão da influência da malha nos resultados. Foi observada uma influência importante da malha em alguns resultados, o que mostra a importância de uma análise de sensibilidade deste parâmetro ao realizar as simulações de CFD. Os resultados obtidos oferecem a perspectiva de uso da modelagem CFD como ferramenta de suporte ao dimensionamento de vertedouros e bacias de dissipação de energia. O trabalho desenvolvido oferece a perspectiva de simular o escoamento na escala real utilizando CFD, sem que ocorram os erros associados aos efeitos de escala inerentes aos modelos reduzidos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Traditionally, reduced physical models are used to allow control, instrumentation and experimental evaluation of flow. More recently, computational fluid dynamics (CFD) has emerged as a tool that allows numerical modeling of flows and can complement the information provided by the physical model. The objective this paper is to validate the CFD tool in reproducing the flow through an ogee crest spillway with a roller bucket stilling basin. This validation was performed with the data from a reduced scale experiment in which measurements were made of the position of the water free surface and of the pressure loads in the spillway profile. It was verified that the CFD tool is suitable for the study of this type of flow, being able to reproduce the experimental results. In the execution of the numerical simulations, special attention was given to the influence of the mesh on the results. An important influence of the mesh was observed in some results, which shows the importance a sensitivity analysis of this parameter when performing CFD simulations. The obtained results offer the prospect of using CFD as a supporting tool for the design of spillways and stilling basins.
  • Prediction of monthly flows for Três Marias reservoir (São Francisco river basin) using the CFS climate forecast model Scientific/Technical Article

    De Paiva, Luana Ferreira Gomes; Montenegro, Suzana Maria; Cataldi, Marcio

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Mesmo com a crise hídrica, em 2016, 76% da energia no Brasil foi gerada por usinas hidrelétricas, mostrando que ainda se tem um sistema que é fortemente dependente da situação hidrológica das bacias hidrográficas. Com isso, as previsões de vazões a essas usinas subsidiam a tomada de decisão do âmbito do Setor Elétrico, já que permitem a avaliação das condições operacionais das usinas hidrelétricas e termelétricas, através da utilização dos modelos de otimização energética, proporcionando ganhos na operação do SIN – Sistema Interligado Nacional. A previsão de precipitação-é de fundamental importância para a elaboração dessas previsões de vazões das hidrelétricas. Para as avaliações energéticas são utilizados os modelos Decomp e Newave, que utilizam o Modelo Gevazp para a geração dos cenários através de um modelo AR(p). Assim, o presente trabalho objetiva mostrar o impacto da previsão de precipitação na previsão de vazões, no horizonte climático. Para isso fez-se uma correção estatística na chuva prevista pelo Modelo CFS e foram calibrados modelos chuva vazão Após essa calibração, foram realizados testes com esse novo sistema de modelagem e os resultados, em forma de cenários, foram comparados com os cenários gerados pelo Modelo Gevazp, mostrando que há possibilidade de reduzir a faixa gerada por esse último e, consequentemente, fazer com que o modelo Decomp não visite faixas com pouca ou nenhuma probabilidade de ocorrência, o que pode melhorar tanto a otimização do planejamento da operação do SIN. Este trabalho também mostra também que o modelo SMAP apresentou melhor desempenho quando comparado ao modelo de Redes Neurais, quando comparado com o intervalo de vazão médio previsto em relação ao fluxo observado. Houve uma melhoria clara nas previsões de fluxo com a incorporação da chuva observada um mês à frente nas simulações, principalmente na previsão de vazões altas. Por fim, os índices climáticos apresentaram boa relação com as variáveis vazão e chuva.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Despite the water crisis in 2016, 76% of the energy in Brazil was generated by hydroelectric plants, which shows that the Brazilian system is still strongly dependent on the hydrological conditions of basins. Therefore, the flow forecasts for these plants subsidize the decision making within the scope of the Electric Sector, since they allow the evaluation of the operational conditions of the hydroelectric and thermoelectric plants through the use of energy optimization models, providing gains in the operations of SIN (Sistema Interligado Nacional – the Brazilian National Interconnected System). The precipitation forecast is of fundamental importance for the elaboration of these hydroelectric flow forecasts. For energy evaluations, the DECOMP and NEWAVE models are used, with the GEVAZP model being applied to generate scenarios through an AR (p) (autoregressive) model. Accordingly, this study shows the impact of precipitation forecast on flow predictions in the climate horizon. For this, a statistical correction was made in the rain predicted by the CFS (Climate Forecast System) model, which tends to overestimate the predicted rain, with rainfall-flow models being calibrated. Tests were performed with this new modeling system and the results, in the form of scenarios, were compared with the scenarios generated by the GEVAZP model, showing the possibility of reducing the generated range by the latter, consequently causing the DECOMP model to not consider ranges with little or no probability of occurrence, which can improve the optimization of the SIN operation planning. This work also shows that the SMAP model exhibited better performance when compared to the Neural Networks model, in terms of the average flow range predicted in relation to the observed flow. There was a clear improvement in the flow predictions with the incorporation of the rain observed one month ahead in the simulations, mainly in the forecast of high flows. Finally, the climate indices had a good relationship with the flow and rain variables.
  • Scenarios of water quality management in watershed with distributed spatio-temporal simulation Scientific/Technical Article

    Knaesel, Kelen Mannes; Pinheiro, Adilson; Venzon, Pedro Thiago; Kaufmann, Vander

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A implementação dos instrumentos da Política Nacional de Recursos Hídricos depende de informações detalhadas no espaço e no tempo, em grande escala, no âmbito da bacia hidrográfica. Este trabalho tem como objetivo avaliar cenários para suporte à gestão de qualidade da água em bacias hidrográficas por modelagem com discretização espaço-temporal distribuída, em pequena dimensão espacial. Foi aplicado o modelo hidrológico SWAT na bacia do rio Itajaí. A bacia hidrográfica de 15000 km2 foi discretizada em 2103 unidade de resposta hidrológica (HRU). Para cada foram alimentados os dados de entrada do modelo, dos aspectos quantitativos e qualitativos. As séries temporais de qualidade das águas foram obtidas em monitoramentos não sistemáticos, provenientes de diferentes fontes, como empresas de abastecimento de águas, empresas potencialmente poluidoras, entre outras. A calibração e validação do modelo foram realizadas, apresentando resultados adequados tanto para o processo quantitativo como para o processo qualitativo. Foram analisados os cenários da situação atual e evolutivos de contribuição de poluentes, para quatro parâmetros de qualidade da água (demanda bioquímica de oxigênio, fósforo total, nitrogênio total e coliformes termotolerantes). Os resultados são expressos pela concentração média, mediana, frequência de não excendência de 80% e vazão de referência, discutindo o índice estatístico que melhor representa as concentrações de poluentes nos corpos hídricos. As simulações mostraram que as medidas propostas para a gestão de qualidade da água da bacia, promovem significativa redução das concentrações dos poluentes em comparação ao cenário crítico. Pela análise dos resultados pode-se afirmar que a discretização da bacia em pequenas áreas de contribuição geram maior precisão dos resultados do modelo e os dados diários e distribuídos na bacia fornecem informações localizadas, de acordo com a ortocodificação da bacia, dando suporte à tomada de decisão de modo a apoiar a gestão de recursos hídricos, contribuindo com o processo de implantação do enquadramento dos corpos de águas superficiais da bacia, assim como servir de modelo genérico para outras finalidades.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The implementation of National Water Resources Policy instruments depends on detailed information in space and time, on a large scale, within the river basin. This research aims to evaluate scenarios to support water quality management in watershed by modelling with spatio-temporal discretization distributed in a small spatial dimension. The SWAT hydrological model was applied in the Itajai river basin. This hydrographic basin with 15,000 km2 was discretized in 2,103 hydrological response units (HRUs). The model input data for each HRU were fed in, from the quantitative and qualitative aspects. The time series of water quality was obtained in non-systematic monitoring from different sources, such as water supply companies and potential polluting companies, among others. The model calibration and validation were performed, presenting adequate results for both the quantitative and qualitative processes. The scenarios corresponding to current and evolutionary situations of pollutant contribution for four water quality parameters (biochemical oxygen demand, total phosphorus, total nitrogen and thermotolerant coliforms) were analysed. The results are expressed as the mean, median, non-exponential frequency of 80% and reference flow, discussing the statistical index that best represents the pollutant concentrations in the bodies of water. The simulations show that the measures proposed for the water quality management of the basin promote a significant reduction in pollutant concentrations in comparison to the critical scenario. According to the results, it can be affirmed that the discretization of the basin in small contribution areas generates greater results precision of the model. The daily and distributed data in the basin provide localized information, according to the basin ortho coding, supporting the decision in order to support the management of water resources, contributing to the implementation process of the framework of surface water courses in the basin, as well as serving as a generic model for other purposes.
  • Internal loading potential of phosphorus in reservoirs along a semiarid watershed Scientific/Technical Article

    Moura, Diana Souza; Almeida, Antonia Samylla Oliveira De; Pestana, Carlos João; Girão, Laura Gomes; Capelo-Neto, José

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Sedimentos são importantes para a dinâmica de nutrientes em reservatórios, especialmente devido à recarga interna de fósforo. Vários estudos observaram que a recarga interna pode impedir a melhoria da qualidade da água em lagos, mesmo quando a carga externa é reduzida. Assim, há uma necessidade urgente de avaliar o potencial de liberação de fósforo do sedimento e, portanto, seu potencial para impactar a qualidade da água. Neste estudo, as distribuições verticais e horizontais de diferentes frações de fósforo nos sedimentos de fundo de reservatórios artificiais, localizados na bacia de Forquilha (Ceará, Brasil), foram investigadas através de fracionamento químico sequencial. Os reservatórios da Lagoa Cercada (R#1), Riacho do Algodão (R#2), Riacho Verde (R#3), Cachoeira (R#4), Chagas Manu (R#5), Quandu (R#6) e Balanças (R#7) foram investigados. Os reservatórios R#1 (reservatório mais a jusante) e R#7 (reservatório mais a montante) apresentaram maiores concentrações de fósforo total (PT) e menores valores de pH, potencialmente exercendo um maior impacto na concentração de fósforo na coluna de água. Os reservatórios R#3 e R#4 apresentaram predomínio de frações de fósforo menos disponíveis (PCa) e, portanto, menor potencial de recarga interna. Os reservatórios R#5, R#1 e R#2 apresentaram uma tendência de diminuição do fósforo total (PT) à medida que a profundidade do sedimento aumentou, provavelmente indicando um aumento no fósforo alóctone recebido pelo reservatório ao longo do tempo. O reservatório R # 6 apresentou predominância das frações PFeAl e PCa nos pontos A e B, respectivamente, mostrando que as características do sedimento podem variar no mesmo reservatório. O fósforo móvel (PM) e o fósforo ligado a ferro e alumínio (PFeAl) foram as frações de menor e maior abundância na maioria das amostras analisadas, respectivamente.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Sediments are important to nutrient dynamics, especially due to phosphorus internal loading. Several studies have observed that internal loading could prevent water quality from improving in lakes, even when external phosphorus loading is significantly decreased. Therefore, there is an urgent need to assess the potential release of phosphorus contained in the sediment, and thus, its potential to impact water quality. In this study, the vertical and horizontal distributions of distinct phosphorus forms in the bottom sediments of artificial reservoirs, located at Forquilha watershed (Ceará, Brazil), were investigated through sequential chemical fractionation. The reservoirs Lagoa Cercada (R#1), Riacho do Algodão (R#2), Riacho Verde (R#3), Cachoeira (R#4), Chagas Manu (R#5), Quandu (R#6) and Balanças (R#7) were investigated. Reservoirs R#1 (most downstream reservoir of the watershed) and R#7 (most upstream reservoir of the watershed) had higher concentrations of total phosphorus (PT) and lower pH values, potentially exerting greater influence in phosphorus concentration in the water column. Reservoirs R#3 and R#4 presented a predominance of residual phosphorus (PRe), the least available fractions of phosphorus and thus, presented a lower potential for internal loading. Reservoirs R#5, R#1 and R#2 showed a tendency of decreasing total phosphorus (PT) as the sediment depth increased, probably indicating an increase of allochthonous phosphorus loading along time. Reservoir R#6 showed the predominance of PFeAl and PCa fractions on points A and B, respectively, showing that the characteristics of the sediments may vary in the same reservoir. Mobile (PM) and iron and aluminum-bound phosphorus (PFeAl) were the least and the most abundant fractions in most of the samples analyzed, respectively.
  • Fate and transport of compounds with estrogenic activity in reconstructed soil columns Scientific/Technical Article

    Alves, Thiago Caique; Pinheiro, Adilson; Kaufmann, Vander

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os desreguladores endócrinos (DE) são agentes exógenos capazes de desregular o funcionamento normal do sistema endócrino em humanos e animais. Dentre as rotas de entrada de DE no meio ambiente, destacam-se o lançamento de águas residuais domésticas e agrícolas em corpos d'água. Este trabalho tem como objetivo avaliar a ocorrência, mobilidade e atenuação de biossorção de hormônios e antibióticos na coluna do solo sob aplicação de resíduos agrícolas e domésticos e simulação de chuvas. Colunas de solo, preenchidas com o solo de uma área agrícola, foram instaladas nas condições de aplicação de águas residuais de suínos (ARS), na dose de 50 m3/ha sob e sem efeito de biossorvente, e na urina humana a uma taxa equivalente em nitrogênio comparada para ARS. As concentrações de estrogênio foram observadas por HPLC-DAD, e foram desenvolvidos balanços de massa para avaliar a remoção de estrogênio no perfil do solo. As ocorrências de hormônios em todas as análises foram de aproximadamente 20%. Observou-se ainda uma eficácia considerável do adsorvente da casca de pinheiro na remoção de hormônios de matrizes líquidas. O balanço de massa das colunas do solo com adsorvente mostrou uma recuperação de estrógenos presente na matriz aplicada a uma taxa inferior a 1%. Para comparação, as colunas de solo sem adsorvente obtiveram um transporte de massa de cerca de 20% do total aplicado.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Endocrine disruptors (ED) are exogenous agents capable of deregulating the normal functioning of the endocrine system in humans and animals. The ED entry routes in the environment highlight the launch of domestic and agricultural wastewater in water bodies. This work aims to evaluate the occurrence, mobility and biosorption attenuation of hormones and antibiotics in soil columns in the application of agricultural and domestic waste and rain simulation. Soil columns, which were filled with soil from an agricultural area, were installed under the conditions of a swine wastewater application (ARS) at a dose of 50 m3/ha with and without the biosorbent effect and human urine at a rate equivalent to nitrogen compared with ARS. The estrogen concentrations were observed by High-performance liquid chromatography coupled with diode array detector (HPLC-DAD), and the mass balance was developed to evaluate the estrogen removal in the soil profile. The occurrence of hormones in all analyses was approximately 20%. Pine bark adsorbent was found to be considerably efficient in removing hormones from liquid matrices. The mass balance of the soil columns with adsorbent exhibited an estrogen recovery in the matrix applied to less than a 1% rate. For comparison, the soil columns without adsorbent obtained a mass transit about 20% of the total applied.
  • Development and application of a rainfall-runoff model for semi-arid regions Scientific/Technical Article

    Cirilo, José Almir; Verçosa, Lívia Fragoso de Melo; Gomes, Mayara Maria de Arruda; Feitoza, Maria Alice Britto; Ferraz, Gadadhara de Figueiredo; Silva, Bruno de Melo

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Apesar dos avanços realizados nos últimos anos, a modelagem das respostas hidrológicas de bacias hidrográficas continua sendo uma tarefa complexa, especialmente em áreas com escassez de dados. Para superar isso, novos modelos com representações distintas dos processos hidrológicos continuam a ser desenvolvidos, incorporando dados espaciais e ferramentas de geoprocessamento. Neste artigo é apresentado o modelo CAWM IV (Campus Agreste Watershed Model Version IV), um modelo conceitual desenvolvido com o intuito de contribuir principalmente para a modelagem hidrológica de bacias inseridas em regiões semiáridas. O artigo fornece o layout da estrutura do modelo matemático e um conjunto de resultados obtidos a partir da aplicação do modelo a bacias com características distintas. O modelo tem como principais características o número reduzido de parâmetros para calibrar e a incorporação das características físicas da bacia no cálculo de diversos atributos, com o objetivo de favorecer o processo de regionalização para outras bacias similares, particularmente por conta da escassez de dados de vazão. O modelo CAWM IV foi aplicado para quatro bacias localizadas no estado de Pernambuco, na região Nordeste do Brasil. O modelo apresentou comportamento adequado para 55 a 92% dos eventos simulados, dependendo dos critérios de indicadores de desempenho utilizados na análise.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Despite the advances undertaken in recent years, modeling watershed’s hydrological responses remains a complex task, especially in data-scarce areas. In order to overcome this, new models with distinct representations of hydrological processes continue to be developed, incorporating spatial data and geoprocessing tools. In this article, the CAWM IV (Campus Agreste Watershed Model Version IV) model is presented. It is a conceptual model developed with the purpose of contributing mainly to the hydrological modeling of basins inserted in semi-arid regions. The article provides the layout of the mathematical model structure and a set of results obtained from the application of the model to basins with different characteristics. The main features of the model are the reduced number of parameters to calibrate and the incorporation of the basin physical characteristics in the calculation of several attributes, in order to facilitate the process of regionalization for other similar basins, particularly due to the absence of flow data. The CAWM IV model was applied to four basins located in the state of Pernambuco, in the Northeast region of Brazil. The model presented adequate behavior for 55 to 92% of the simulated events, depending on the criteria of performance indicators used in the analysis.
  • Influence of El Niño and La Niña phenomena on seasonality of the relative frequency of rainfall in southern Amazonas mesoregion Scientific/Technical Article

    Pedreira, Altemar Lopes; Querino, Carlos Alexandre Santos; Biudes, Marcelo Sacardi; Machado, Nadja Gomes; Santos, Luiz Octavio Fabricio dos; Ivo, Israel Oliveira

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O clima global e amazônico sofre alterações, principalmente na precipitação, em decorrência dos fenômenos El Niño e La Ninã. O objetivo deste trabalho foi analisar a frequência relativa da precipitação, em diferentes períodos do dia, durante ocorrências de eventos de El Niño, La Niña e em condição de neutralidade. A pesquisa foi realizada na mesorregião Sul do estado do Amazonas (Apuí, Boca do Acre, Lábrea, Manicoré e Humaitá). Os dados foram analisados pelo método proposto por Spiegel. Os dados foram obtidos a partir da base de dados da Global Land Data Assimilation (01/01/2000 a 31/12/2018). Os dados foram disponibilizados a cada três horas e integralizados em seis horas. A frequência relativa da precipitação foi maior no período da tarde nos anos de La Niña, Neutro e El Niño em todos os municípios. Houve uma superioridade da frequência relativa durante os anos de ocorrência de eventos La Niña quando comparados ao El Niño. Em Apuí e Boca do Acre ocorreu uma superioridade na quantidade de eventos durante o ano Neutro em relação ao El Niño, enquanto em Lábrea, Manicoré e Humaitá não houve mudança. Por fim, a precipitação nos municípios da mesorregião Sul do Amazonas é frequente durante os períodos da tarde.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The global and Amazon climate change, mainly in rainfall, due to the El Niño and La Ninã phenomena. The objective of this study was to analyze the relative frequency (RF) of rainfall, in different periods of the day, during occurrences of El Niño, La Niña events and neutrality condition. The research was carried out in the Southern mesoregion of the state of Amazonas (Apuí, Boca do Acre, Lábrea, Manicoré and Humaitá). Data were analyzed by the Spiegel´s method. The rainfall data were obtained from the Global Land Data Assimilation database from January 1st, 2000 to December 31st, 2018. Data were made available every three hours and integrated into six hours. RF of rainfall was higher in the afternoon in La Niña, Neutro and El Niño years in all municipalities. The RF in La Niña year was higher than during El Niño. The RF during the Neutral year was higher than during El Niño in Apuí and Boca do Acre, and had no difference in Lábrea, Manicoré and Humaitá. The rainfall in the southern Amazon mesoregion was more frequent during the afternoon.
  • Effects of an array of widely separated vertical cylinders on time-averaged properties of progressive monochromatic waves Scientific/Technical Article

    Aguilera, Laura; Rosman, Paulo Cesar Colonna; Neves, Claudio Freitas

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O cálculo das fundações das estruturas de suporte de turbinas (monopilares) de parques eólicos offshore, a estimativa dos esforços causados pelas ondas, e o efeito das estruturas no meio ambiente, costumam considerar estas estruturas como cilindros verticais isolados. Justifica-se esta escolha pelo pequeno valor da razão entre o diâmetro dos monopilares e o comprimento da onda, e pelas longas distâncias entre as turbinas. Contudo, no caso de um grande arranjo de monopilares, o efeito do conjunto deve ser investigado. Este trabalho aborda a propagação de ondas através de um arranjo retangular de quatro cilindros separados 800 m e 300 m, aqui considerada como a geometria básica para um parque offshore de turbinas monopilares de arranjo geométrico qualquer. Resultados para velocidades no fundo, nível médio da água, transporte de massa e tensor de radiação na presença do arranjo são comparados àqueles obtidos com um único cilindro. O modelo numérico WAMIT® é usado para calcular a solução do potencial de velocidades. Os resultados mostram variações espaciais relevantes, especialmente para as tensões de radiação, para diferentes períodos de ondas incidentes e ângulos de propagação. Os efeitos de difração no campo de ondas pelo arranjo de cilindros foi significativamente maior que a superposição dos efeitos de difração de cilindros isolados nas mesmas condições de ondas. Os impactos da difração produzidos pelo conjunto do parque eólico sobre os processos morfodinâmicos no entorno das fundações, sobre as cargas atuantes nas estruturas, e sobre o clima das ondas após a passagem pelo parque são discutidos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The design of monopile foundations for offshore wind farms, the estimate of wave loads, and the effect of the structures on the environment usually consider one single vertical cylinder. This choice is based on the size of the ratio cylinder diameter to wavelength, and on the large distances between turbines. However, for large arrays of monopiles, the ensemble effect must be investigated. This study addresses monochromatic wave propagation through a rectangular array of four cylinders 800 m and 300 m apart, considered here as the fundamental geometry for an arbitrary array of monopiles turbines. Results for bottom velocities, mean water level, mass transport, and radiation stress tensor in the presence of the array are compared with those for a single cylinder. The numerical model WAMIT® is used to compute the potential velocity solution. Relevant spatial variations were found, especially for radiation stresses, for different periods and directions of propagation. Diffraction effects on the wave field by the array are significantly stronger than the superposition of individual effects of isolated cylinders under the same conditions. Impacts of the entire wind farm on bottom morphodynamics near the foundations, on the design loads, and on the wave climate past the wind farm are discussed.
  • Comparative study between turbulence models in curved channels Scientific/Technical Article

    Almeida, José Rodolfo Machado de; Ota, José Junji

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Este artigo apresenta um estudo comparativo entre os resultados obtidos em simulações numéricas computacionais bidimensionais realizadas com três diferentes modelos de turbulência: o de viscosidade turbulenta constante; o modelo tipo Elder; e, o modelo k˗Ꜫ. Para a realização dessas simulações foi utilizado o software Telemac 2D. Esses resultados foram comparados com os obtidos em um estudo em canal experimental de seção transversal trapezoidal e constituído por trechos retos e por curvas. O objetivo principal dessa comparação é explorar como os modelos de fechamento de turbulência atuam na modificação do comportamento geral do escoamento simulado. Para subsidiar essas comparações adotaram-se testes estatísticos que buscaram quantificar as diferenças entre os campos de velocidades obtidos nas simulações e o observado no canal experimental. Os resultados obtidos mostraram que, apesar das limitações teóricas existentes e a dificuldade em se determinar os parâmetros de calibração, a utilização do modelo de fechamento de turbulência mais simples, pode conduzir a resultados tão bons ou melhores que os obtidos com os modelos mais sofisticados, como, por exemplo, o modelo k˗Ꜫ.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This paper presents a comparative study between results obtained in two-dimensional computational simulations performed with three different turbulence models: constant viscosity; Elder Model and k˗Ꜫ Model. The simulations were performed using the software Telemac 2D. These results were compared to data obtained from a study in experimental channel with trapezoidal cross-section and composed of straight stretches and curves. The main objective of this comparison is to explore how turbulence models affect the general behavior of the simulated flow. To support these comparisons, statistical analysis were adopted to quantify the differences between the velocity fields obtained in the simulations and that observed in the experimental channel. The results showed that, despite the theoretical limitations, the use of the simpler turbulence closure model, that is the constant turbulent viscosity, can lead to results as good as or better than those obtained with more sophisticated models.
  • Methodology for physical modeling of reservoir sedimentation Scientific/Technical Article

    Teixeira, Emmanuel Kennedy da Costa; Rinco, Alberto Varotto; Coelho, Márcia Maria Lara Pinto; Saliba, Aloysio Portugal Maia; Pinto, Eber José de Andrade; Furtado, Leonardo Montes

    Abstract in Portuguese:

    ABSTRACT Reservoirs built in watercourses are subject to some degree of silting. Therefore, it is important to estimate the volume of sediment accumulated, since this deposit may interfere with the functions of the reservoir. One way to do this is by using physical models. However, from the existing literature in the area it is not possible to answer some methodological questions that arise in a physical simulation of the silting, such as: which flow and solid discharge to use? Simulate a hydrogram or constant flow? Thus, this work had as objective to propose a simulation methodology of the silting in physical models, so that when using this methodology the observed siltation in the reduced model could represent the one of the prototype. From numerical and experimental simulations, it was chosen to simulate in the physical model the average flows of the waves that comprised the maximum flows. The flow time of each flow was 30 minutes and the total solid discharges used were those referring to the annual average flow rates. Using this methodology, simulation of sedimentation in the reduced model was promoted for the period between 2013 and 2017, and the result obtained was close to that of the prototype, which indicates that the proposed methodology allowed to represent in the reduced model the phenomenon of sedimentation occurred in the actual reservoir.

    Abstract in English:

    RESUMO Reservatórios construídos em cursos d’água estão sujeitos a algum grau de assoreamento. Por isso, é importante a estimativa do volume de sedimentos acumulados, visto que esse depósito pode interferir nas funções do reservatório. Uma forma de se fazer isso é utilizando modelos físicos. Entretanto, a partir da literatura existente na área não é possível responder a algumas questões metodológicas que surgem em uma simulação física do assoreamento, como: qual vazão e descarga sólida utilizar? Simular um hidrograma ou uma vazão constante? Assim, esse trabalho teve como objetivo propor uma metodologia de simulação do assoreamento em modelos físicos, de forma que ao se utilizar essa metodologia o assoreamento observado no modelo reduzido pudesse representar o do protótipo. A partir de simulações numéricas e experimentais, optou-se por simular no modelo físico as vazões médias das ondas que compreendiam as vazões máximas. O tempo de escoamento de cada vazão foi de 30 minutos e as descargas sólidas totais utilizadas foram às referentes às vazões médias anuais. Utilizando-se essa metodologia, promoveu-se a simulação do assoreamento no modelo reduzido para o período entre 2013 e 2017, sendo que o resultado obtido foi próximo ao do protótipo, o que indica que a metodologia proposta permitiu representar no modelo reduzido o fenômeno do assoreamento ocorrido no reservatório real.
  • Meteorological and hydrological drought from 1987 to 2017 in Doce River Basin, Southeastern Brazil Scientific/Technical Article

    Jesus, Elaisa Teixeira de; Amorim, Jhones da Silva; Junqueira, Rubens; Viola, Marcelo Ribeiro; Mello, Carlos Rogério de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A seca meteorológica é um fenômeno natural caracterizado por precipitações abaixo da média, com relação ao valor esperado ou normal, que podem afectar vários sectores econômicos e levar a um período com vazões inadequadas para usos estabelecidos (seca hidrológica). Foi aplicado o Índice de Precipitação Padronizado (SPI) e o Índice de Escoamento Padronizado (SSI) para identificar a ocorrência e a intensidade das secas na bacia hidrográfica do rio Doce (DRB), Sudeste do Brasil. Para isso, foram seleccionadas 71 estações pluviométricas e uma estação de vazão com séries históricas mensais de 30 anos (1987 a 2017). O SPI e o SSI foram calculados para o ano hidrológico (outubro-setembro) e para as estações do ano (primavera, verão, outono e inverno). O mapeamento do SPI foi realizado por procedimentos geoestatísticos. O coeficiente de correlação de Pearson foi calculado para analisar a influência da meteorologia na seca hidrológica. Os principais eventos meteorológicos de seca foram observados nos anos hidrológicos de 1994/95, 2000/01 e em um período recente e consecutivo de quatro anos hidrológicos (2013-2017), principalmente influenciados por eventos na primavera e verão e, em menor escala, no outono. Foi observada a influência da seca meteorológica sobre a hidrológica em escala anual e sazonal, exceto no inverno, em que a baixa pluviosidade não influenciou a vazão.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Meteorological drought is a natural hazard characterized as below-average precipitation from expected or normal that can affect various economic sectors, and lead to period with inadequate streamflow for established uses of the water (hydrological drought). We aimed to apply the Standardized Precipitation Index (SPI) and Standardized Streamflow Index (SSI) to identify the occurrence and the intensity of droughts in Doce River Basin (DRB), Southeastern Brazil. For this purpose, 71 rain gauge stations and one streamflow station were selected with 30-year monthly historical series (1987 to 2017). The SPI and SSI were calculated for the hydrological year (October-September) and the seasons (Spring, Summer, Fall, and Winter). SPI mapping was performed by geostatistical procedures. Pearson's coefficient was calculated to analyze the influence of meteorological on hydrological drought. The main meteorological drought events, observed in the hydrological years of 1994/95, 2000/01, and a recent and consecutive period of four hydrological years (2013-2017), were mainly influenced by events in spring and summer and, to a lesser extent, in fall. It was observed the influence of the meteorological drought on the hydrological drought on an annual and seasonal scale, except winter, where low precipitation does not influence in the streamflow.
  • The application of role-playing games and agent-based modelling to the collaborative water management in peri-urban communities Scientific/Technical Article

    Mariano, Dandara Jucá Kokay; Alves, Conceição de Maria Albuquerque

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os sistemas ambientais associados à gestão de recursos hídricos têm sido representados na modelagem tradicionalista por meio de fatores e processos físicos. Com a intenção de conceber uma representação mais abrangente e dinâmica dos sistemas ambientais e hídricos, um novo tipo de simulação surge e engloba uma parte fundamental do sistema, os agentes e seus processos sociais. No intuito de realizar esse tipo de simulação, duas etapas são essenciais, o entendimento sobre o comportamento do agente e os fatores influenciadores na sua tomada de decisão e a representação do sistema por meio da modelagem baseada em agentes. Nessa perspectiva, no primeiro momento, o referido trabalho utilizou um jogo de representação de papéis voltado à gestão hídrica, o WaDiGa, com o objetivo de avaliar um possível mapeamento do comportamento hídrico de pequenos produtores rurais do Assentamento Canaã, região periurbana do Distrito Federal, e de servir como uma plataforma de diálogo entre os agentes. Na segunda parte da metodologia, foi desenvolvido um modelo baseado em agente na plataforma GAMA, que teria a função de representar o comportamento dos agentes e suas consequências no ambiente por meio de uma simulação baseada em agentes. Após a aplicação da metodologia proposta, pôde-se concluir que o jogo aplicado conseguiu identificar fatores que influenciam a tomada de decisão dos atores locais. Além disso, pôde-se observar que o jogo cumpre a função de plataforma de diálogo e discussão sobre a temática de uso de recursos hídricos, podendo, assim, também ser utilizada como uma ferramenta de educação ambiental e de modelagem sócio hidrológica. Já o modelo baseado em agentes implementado na plataforma GAMA conseguiu de forma satisfatória representar a relação entre a produção agrícola da comunidade estudada e o uso água, apresentando resultados semelhantes aos resultados obtidos no jogo WaDiGa.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The environmental systems associated with water resources management have always been represented through physical factors and processes. In order to consider the social system coupled with the environmental system, a new modeling approach emerges, the agent-based modeling. Two steps are essential to build agent-based models-ABMs. The first step requires the agent behavior understanding and considers the influence of external factors in the agent decision-making. The second one is the system representation through an ABM. In this perspective, the WaDiGa water management role-playing game-RPG was applied to map the rural producers' behavior of a peri-urban region. In addition, an ABM was developed in the GAMA platform intended to represent the agents’ behavior and its consequences in the environment configuration. After applying the proposed methodology, it was concluded that the WaDiGa was able to identify factors that influence the local agents' decision-making, and that the game fulfills the function of a dialogue platform on the water resource theme, and could be used as a tool for environmental education and socio-hydrological modeling. The ABM developed was able to represent the relationship between the agricultural production of the community and the water use, presenting results similar to the results obtained in the WaDiGa.
  • Stepped spillway with pre-aeration by a deflector: flow characteristics Scientific/Technical Article

    Novakoski, Carolina Kuhn; Ferla, Rute; Prá, Maurício Dai; Canellas, Alba Valéria Brandão; Marques, Marcelo Giulian; Teixeira, Eder Daniel

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Vertedouros em degraus têm por objetivo dissipar, ao longo da calha, uma parcela da energia do escoamento. No entanto, a utilização dessas estruturas está limitada a uma restrita faixa de vazões específicas devido aos riscos de cavitação e erosão. Como a introdução de ar no escoamento permite a proteção do concreto contra os danos mencionados, uma possível solução por aeradores instalados ao longo da calha, já difundida para calhas lisas, está sendo estudada para ser utilizada também em vertedouros em degraus. A presente pesquisa tem o propósito de caracterizar um escoamento sobre vertedouros em degraus com aeração induzida por defletor e fornecimento de ar por uma câmara de ar através de ensaios realizados em um modelo físico reduzido. São apresentadas zonas e posições características do escoamento observadas durante os ensaios e também, quatro equações que permitem calcular, aproximadamente, a sua localização em um protótipo.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Stepped spillways aim to dissipate part of the upstream energy during the flow passage by the chute. However, the use of these structures is limited to a restrict range of specific discharges due to the risk of cavitation damage. As the air entrainment into the flow assists the concrete protection against the aforementioned damages, a possible solution by aerators installed along the chute, already disseminated to smooth chutes, is being studied to be used also in stepped spillways. The purpose of the present paper is to characterize a flow over a stepped chute with induced aeration by deflector and air supply by an airtight chamber trough tests conducted on a reduced scale physical model. The main regions observed during the tests are presented and were developed four equations that allow to approximately predict the location of the main regions for a given spillway.
  • Temporal trend of drought and aridity indices in semi-arid pernambucano to determine susceptibility to desertification Scientific/Technical Article

    Silva, Fabianny Joanny Bezerra Cabral da; Azevedo, José Roberto Gonçalves de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Em regiões semiáridas, a utilização de índices de seca e aridez a fim de estabelecer diagnósticos e prognósticos que ajudem na gestão dos recursos hídricos é crucial, sobretudo, para a avaliação de disponibilidade hídrica em longo prazo, e monitoramento de eventos hidrológicos extremos. Diante disso, o objetivo do presente estudo foi avaliar as tendências de eventos extremos para determinar a susceptibilidade à desertificação, na bacia do rio Brígida, mediante o uso de índices de Seca (RAI, SPI e PDSI) e de Aridez (MIA, AI e AIASD). Os resultados desses índices foram submetidos a análise estatística por meio do Teste de Tukey e submetidos a avaliação da tendência climática por meio de aplicativo (TREND). O Teste de Tukey indicou que o método PDSI e RAI são os mais indicados para a análise de seca, enquanto que o AI é mais apropriado para a aridez. Os resultados indicaram que independente dos índices empregados, os postos apresentaram resultados significativos na análise de tendência, sugerindo intensificação desses eventos ao longo do tempo. Diante disso, conclui-se que os índices de seca e de aridez podem auxiliar na gestão dos recursos hídricos pelos órgãos gestores, indicando a evolução dos fenômenos hidrológicos extremos, sugerindo a adoção de ações preventivas e mitigadoras quanto ao uso prioritário da água. Além disso, esses índices podem ser empregados como ferramenta para indicação de áreas susceptíveis ao processo de desertificação.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In semi-arid regions, the use of drought and aridity indices in order to establish diagnoses and prognoses that help in water resources management is crucial, above all, for the evaluation of long-term water availability, and monitoring hydrological extreme events. Therefore, the aim of this study was to evaluate the trends of extreme events to determine susceptibility to desertification in the Brígida river basin, by Drought (RAI, SPI and PDSI) and Aridity (MIA, AI and AIASD) Indices. The results of these indices submitted to statistical analysis (Tukey Test) and to the evaluation of the climate trend (TREND software). The Tukey Test indicated that the PDSI and RAI method are the most suitable for drought analysis, while AI is most appropriate for aridity. The results indicated that regardless of the indices employed, the stations presented significant results in the trend analysis, suggesting intensification of these events over time. Therefore, concluded that drought and aridity indices could help water resources management by managing bodies, indicating the evolution of extreme hydrological phenomena, suggesting the adoption of preventive and mitigating actions regarding the use of water priority. In conclusion, these indices can be used as a tool for indicating areas susceptible to the desertification process.
  • Water footprint analysis of temporary crops produced in São Carlos (SP), Brazil Scientific/Technical Article

    Reis, Alan; Santos, Alessandra Campos dos; Anache, Jamil Alexandre Ayach; Mendiondo, Eduardo Mario; Wendland, Edson Cezar

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Este trabalho visa avaliar a pegada hídrica (PH) das culturas temporárias produzidas no munícipio de São Carlos/SP, no período entre 2004 e 2017. O cálculo da pegada hídrica foi desenvolvido seguindo a metodologia da Water Footprint Newtwork (WFN) e o modelo CROPWAT. Os resultados foram comparados com as médias mundiais e outros estudos que analisaram as mesmas culturas. Foram aplicados alguns testes estatísticos para verificar o comportamento dos dados ao longo do tempo e calculou-se os coeficientes de correlação entre as componentes de pegada hídrica e as produtividades de cada cultura. Os resultados indicam baixos valores de PH total para a cana-de-açúcar (valor médio total de 166.2 m3 ton-1) e tomate (valor médio total de 97.2 m3 ton-1), enquanto arroz (valor médio total de 5212.4 m3 ton-1) e amendoim (valor médio total de 3865.8 m3 ton-1) apresentam valores elevados. Em geral, os componentes da PH não seguem uma tendência monotônica; uma distribuição normal dos dados pode ser assumida ao longo dos anos; e existe uma diferença estatisticamente significante entre quando comparando os resultados calculados e os valores médios globais. Tais resultados ratificam a importância da realização de estudos locais de pegada hídrica, especialmente no Brasil, considerando sua importância no mercado agrícola global e o respectivo uso da água para tal fim.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This paper aims to evaluate the water footprint (WF) of temporary crops produced in the municipality of São Carlos, Brazil, between 2004 and 2017. The WF calculation was developed following the Water Footprint Network approach (WFN) and using CROPWAT model. The results were compared with the world averages and other studies that analyzed the same crops. We applied statistical tests to verify data behavior over the years and calculated correlation coefficients between WF components and crop yields. The results indicated low values of total WF for sugarcane (total average of 166.2 m3 ton-1) and tomato (total average of 97.2 m3 ton-1), while rice (total average of 5212.4 m3 ton-1) and groundnut (total average of 3865.8 m3 ton-1) showed the opposite. In general, WF components do not follow a monotonic trend, a normal distribution can be assumed and there is a statistically significant difference when comparing our findings with global mean values. These results ratify the importance of local WF studies, especially in Brazil, considering its importance in global agricultural market and the respective use of water resources.
  • Projections of climate change in streamflow and affluent natural energy in the Brazilian hydroelectric sector of CORDEX models Scientific/Technical Article

    Silva, Marx Vinicius Maciel da; Silveira, Cleiton da Silva; Silva, Greicy Kelly da; Pedrosa, Wanderson Hugues de Vasconcelos; Marcos, Antônio Duarte; Souza, Francisco de Assis

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O planejamento hídrico e energético a longo prazo possibilita reduzir impactos sociais e econômicos, pois evitam episódios de interrupção do fornecimento de água e energia elétrica, serviços essenciais para diversos setores. Desse modo, as análises propostas pelo presente estudo visaram identificar o impacto das mudanças climáticas nas projeções das vazões naturalizadas e Energia Natural Afluente (NEA) para o setor elétrico brasileiro utilizando seis modelos do projeto Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX), baseados nos cenários do RCP 4.5 e RCP 8.5 para o século XXI. As vazões para os 24 postos representativos do Sistema Interligado Nacional (NIS) foram estimadas através do modelo hidrológico concentrado SMAP (Soil Moisture Accounting Procedure), enquanto as vazões para os demais postos que compõem o NIS foram obtidas por regressão linear. As vazões, em conjunto com a produtividade dos reservatórios, foram utilizadas para o cálculo da NEA. Os resultados mostraram que a maioria dos modelos projetam possíveis reduções das vazões naturalizadas e NEA anuais para os três períodos analisados e para os setores Norte, Nordeste e Sudeste/Centro-Oeste. Enquanto que, no setor Sul, para o período de 2010-2039, a maioria dos modelos indicaram aumento das vazões naturalizadas e da NEA anuais.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Long-term water and energy planning makes it possible to reduce social and economic impacts by avoiding episodes of interruption in water and electricity supply, essential services for several sectors. Thus, the analyses proposed by this study aimed at identifying the impact of climate change on naturalised streamflows and Affluent Natural Energy (NEA) projections for the Brazilian electricity sector using six models of the Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX) project, based on the RCP 4.5 and RCP 8.5 scenarios for the 21st century. The streamflows for the 24 stations representing the National Interconnected System (NIS) were estimated through the concentrated hydrological model SMAP (Soil Moisture Accounting Procedure), while the streamflows for the other stations that comprise the NIS were obtained by linear regression. The streamflows, as well as the productivity of the reservoirs, were used to calculate the NEA. The results showed that most of the models project possible reductions in annual naturalized streamflows and NEA for the three periods analyzed and for the North, Northeast and Southeast/Midwest sectors. Meanwhile, in the Southern sector, for the period 2010-2039, most of the models indicated an increase in the annual naturalized streamflows and NEA.
  • Ensemble long-term soil moisture forecast using hydrological modeling Scientific/Technical Article

    Colossi, Bibiana Rodrigues; Tucci, Carlos Eduardo Morelli

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A previsão a longo prazo da umidade do solo permite melhor planejamento em áreas como a agricultura. No entanto, há ainda poucos estudos dedicados à especificamente estimar umidade do solo para longos horizontes de tempo, o que reflete as dificuldades associadas a este tipo de previsão. Uma abordagem que pode ajudar a melhorar a performance destas previsões é a utilização de previsões por conjuntos (ensemble). Neste estudo, uma previsão de umidade do solo para horizontes de tempo de um, três e seis meses foi desenvolvida na bacia do rio Ijuí (Brasil) usando uma combinação de previsões por conjuntos de precipitação e simulação hidrológica. Todos os membros dos conjuntos de três diferentes modelos climatológicos foram utilizados para rodar o modelo hidrológico MGB, gerando 207 previsões de umidade do solo, organizadas em quatro grupos: (A) para cada modelo, o intervalo de umidade mais frequentemente previsto entre as previsões feitas com cada membro do ensemble, (B) usando a precipitação média de cada modelo, (C) considerando um superensemble, e (D) o intervalo de umidade do solo médio previsto entre as previsões do grupo B. Os resultados mostram que a umidade do solo a longo prazo estimada com base em previsões de precipitação pode ser útil para identificar períodos mais secos ou mais úmidos do que as condições médias para a região estudada. Contudo, a estimativa dos valores exatos de umidade do solo ainda é bastante limitada. Previsões realizadas com os grupos B e D tiveram performance similar as dos grupos A e C, e requerem menor análise e processamento de dados e esforço computacional.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Long-term soil moisture forecasting allows for better planning in sectors as agriculture. However, there are still few studies dedicated to estimate soil moisture for long lead times, which reflects the difficulties associated with this topic. An approach that could help improving these forecasts performance is to use ensemble predictions. In this study, a soil moisture forecast for lead times of one, three and six months in the Ijuí River Basin (Brazil) was developed using ensemble precipitation forecasts and hydrologic simulation. All ensemble members from three climatologic models were used to run the MGB hydrological model, generating 207 soil moisture forecasts, organized in groups: (A) for each model, the most frequent soil moisture interval predicted among the forecasts made with each ensemble member, (B) using each model’s mean precipitation, (C) considering a super-ensemble, and (D) the mean soil moisture interval predicted among group B forecasts. The results show that long-term soil moisture based on precipitation forecasts can be useful for identifying periods drier or wetter than the average for the studied region. Nevertheless, estimation of exact soil moisture values remains limited. Forecasts groups B and D performed similarly to groups A and C, and require less data management and computing time.
  • Effects of an outflow regime adoption of the São Francisco River reservoir system to meet water demands for multiple uses Scientific/Technical Article

    Basto, Isabela Dantas Reis Gonçalves; Fontes, Andrea Sousa; Medeiros, Yvonilde Dantas Pinto

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O estabelecimento de regras de operação de reservatórios é uma estratégia utilizada para incrementar os volumes de armazenamento e viabilizar o atendimento das demandas de água. Entretanto, nem sempre estas regras são compatíveis com o regime de vazões requerido para o atendimento da demanda ambiental. Neste contexto, este artigo tem como objetivo avaliar os efeitos da adoção de um regime de defluência, do sistema de reservatórios do rio São Francisco, que inclua as demandas do ecossistema aquático, nas atuais diretrizes de atendimento das demandas de múltiplos usos da água, conforme a Resolução 2081/2017, da Agência Nacional de Águas - ANA. A metodologia adotada foi a construção e simulação de cenários alternativos de defluências para um período hidrológico normal e outro seco, que foram os seguintes: (1) Cenário de defluências que atende a Resolução 2.081/17 e (2) Cenário de defluências que considera um hidrograma ambiental proposto para o baixo curso do rio São Francisco. Os efeitos da operação no atendimento aos múltiplos usos da água foram quantificados em cada cenário e comparados entre si. Os resultados apontaram que ao priorizar a proteção dos ecossistemas aquáticos, o sistema demonstrou menor segurança hídrica para atender os volumes metas dos reservatórios e demandas de água, inclusive a demanda ambiental.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The establishment of reservoir operation rules is a strategy used to increase storage volumes and satisfy water demands. However, these rules are not always compatible with the flow regime required to meet environmental needs. This paper aims to evaluate the effects of an outflow regime adopted by the São Francisco River reservoir system, which includes environmental water requirements, in the current laws for meeting water demands for multiple uses, according to Resolution 2081/2017 of Agência Nacional de Águas - ANA. The methodology adopted was the construction and simulation of alternative outflow operation scenarios, for a regular and a dry hydrological period, which were the following: 1) Outflow scenario according to Resolution 2081/17 and (2) Outflow scenario that considers a proposed environmental flow hydrogram for the low course of the São Francisco river. The operation effects in the meeting of multiple water uses were quantified in each scenario and compared with each other. The results suggest that when the maintenance of the aquatic ecosystems is a priority, the system demonstrated low water security in meeting the reservoirs target volumes and satisfying water demands, including the environmental flows.
  • Use of large-scale hydrological models to predict dam break-related impacts Scientific/Technical Article

    Tschiedel, Arthur da Fontoura; Paiva, Rodrigo Cauduro Dias de; Fan, Fernando Mainardi

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Neste trabalho, foi utilizado o Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH) para simular a propagação de um hidrograma de ruptura estimado a partir de equações preditoras para a barragem da UHE Três Marias, considerada uma das maiores da América do Sul. Os resultados, quanto à vazão de pico, tempo de pico e mancha de inundação foram comparados com os resultados advindos do modelo Hec-Ras 5.06, tipicamente utilizado para estudos de rompimento de barragens em escala local. Quanto à extensão da mancha de inundação, obteve-se um índice de acerto de 84% e um erro mediano de 2,1 metros de profundidade, ao longo de 4.055 km2 de área inundada a jusante. Observaram-se erros máximos de 13% na predição da vazão de pico e de 20% para o tempo de pico em locais distantes até 526 km a jusante da barragem, estabelecendo-se, portanto dentre os limites das incertezas típicas associadas a estudos de rompimento de barragens. Desta forma, o uso potencial deste tipo de abordagem em estudos prévios de rompimento de barragens é explorado, configurando-se este método como uma alternativa ao uso de modelos robustos ou simplificados para determinação de áreas de jusante potencialmente afetadas por estes desastres.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In this research study, the MGB-IPH (acronym for Large Scale Model in Portuguese - Modelo de Grandes Bacias) was used to simulate the propagation of a dam breach hydrograph estimated from predictor equations for the Três Marias Hydropower Dam, considered one of the largest in South America. The results of the peak flow, peak time and flood spot were compared with results of the Hec-Ras 5.06 model, typically used for local-scale dam break studies. As for the extent of the flood, a hit rate of 84% and a median error of 2.1 meters deep, along 4,055 km2 of the flooded area downstream was obtained. Maximum errors of 13% were observed in the prediction of the peak flow and of 20% for the peak time in distant locations up to 526 km downstream from the dam, thus establishing itself within the limits of the typical uncertainties associated with dam break studies. Thus, the potential of using this type of approach in previous studies of large dam failures is explored, configuring this method as an alternative to the use of robust or simplified models for determining downstream areas potentially affected by these disasters.
  • Numerical evaluation of laboratory apparatuses for the study of infiltration and runoff Scientific/Technical Article

    Mendes, Thiago Augusto; Gitirana, Gilson de Farias Neves; Rebolledo, Juan Félix Rodriguez; Vaz, Emílio Farias; Luz, Marta Pereira da

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Simuladores de chuva (SC) são desenvolvidos para estudar processos de infiltração, geração de escoamento superficial e erosão. Vários projetos de SC estão disponíveis, mas atenção limitada é dada aos efeitos de escala do equipamento, condições iniciais e de fronteira no escoamento medido. Este artigo apresenta uma avaliação baseada em um modelo de SC usando uma solução de elementos finitos para a equação de Richard e uma nova condição de fronteira para a superfície do solo, desenvolvida para acomodar o comportamento não saturado do solo. Foram consideradas as propriedades hidráulicas de dois solos tropicais, com múltiplas combinações de conteúdo inicial de água, dimensões da amostra e ângulos de inclinação. Os exercícios numéricos indicam que solos com menores valores de entrada de ar exigem um estágio de equilíbrio para o estabelecimento de condições iniciais. Protocolos de ensaio com tempos de equilíbrio de 48 horas são recomendados. Foi demonstrado que o fluxo de umidade produzido pela gravidade, ao inclinar a amostra, tem o potencial de afetar as condições de superfície e, consequentemente, o escoamento superficial. Especificações de ensaio para minimizar esses efeitos são apresentados. O mecanismo de escoamento superficial no SC apresentou três estágios, todos com claro significado físico. No terceiro estágio pode ocorrer uma indesejável consequência do efeito do fundo impermeável do SC. Foi demonstrado que o estabelecimento da espessura mínima da amostra que evita efeitos de contorno tem grande importância para os resultados dos testes.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Runoff apparatuses (RA) are developed to study infiltration, runoff generation, and erosion processes. Several RA designs are available, but limited attention has been given to the effects of the equipment scale, initial, and boundary conditions on measured runoff. This paper presents a model-based evaluation of RAs using a finite element solution for Richard’s equation and a novel ground surface boundary condition designed to accommodate unsaturated soil behavior. The hydraulic properties of two tropical soils were considered, with multiple combinations of initial water contents, specimen dimensions, and sloping angle. The numerical exercises indicate that soils with lower air-entry values require an equilibrium stage for the establishment of initial conditions. Testing protocols with equilibrium times of 48 hours are recommended. Moisture flow produced by gravity when sloping the specimen was shown to potentially affect surface conditions and, consequently, runoff. Testing specifications to minimize the effects of specimen sloping are presented. The runoff mechanism in an RA was shown to have up to three stages, all with clear physical meaning. The third stage is an undesirable consequence of the influence of the RA’s impervious bottom. The establishment of the minimum specimen thickness that prevents boundary effects was shown to have major importance to testing results.
  • Influence of different sources of topographic data on flood mapping: urban area São Vendelino municipality, southern Brazil Scientific/Technical Article

    Zambrano, Fernando Campo; Kobiyama, Masato; Pereira, Marco Alésio Figueiredo; Michel, Gean Paulo; Fan, Fernando Mainardi

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Geralmente, a base para qualquer mapeamento de inundação é informação sobre topográfica cuja resolução determina a precisão do mapa. Além disso, a batimetria detalhada do rio e o tipo de modelo usado também são relevantes. Portanto, o objetivo do presente estudo foi avaliar a influência de diferentes fontes de dados topográficos no mapeamento de inundações utilizando o modelo CAESAR-Lisflood e três configurações de Modelo Digital de Terreno (MDT), dentro das quais, duas estão disponíveis gratuitamente e outra gerada com levantamento em campo (topografia e batimetria). Primeiramente, foram avaliadas a resolução e a precisão de cada MDT, a partir da comparação de diferentes seções transversais, além da variação da área molhada e do erro relativo da velocidade média em função da profundidade. Posteriormente, após a elaboração dos mapas de inundação com cada MDT, os resultados foram comparados em termos de área inundada, largura média de inundação e profundidade de fluxo. Observa-se que, quanto mais precisa a resolução, menor a área de inundação. O mapa de inundação elaborado com o MDT por meio de levantamento em campo teve o melhor ajuste para a área observada. Entretanto, a relação entre a resolução topográfica e a profundidade do fluxo não foi bem clara nos resultados.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Generally, the base for any flood mapping is the topography information whose resolution determines the map accuracy. Furthermore, river bathymetry in detail and the type of used model are also relevant. Therefore, the objective of the present study was to evaluate the influence of different sources of topographic data on the flood mapping by using the CAESAR-Lisflood model and three Digital Elevation Model (DEM) configurations, among which two were freely available, and the other was generated with field survey (topography and bathymetry). First, the resolution and precision of each DEM were evaluated, from the comparison of different cross-sections, besides the variation of the wetted area and absolute value of the relative error in mean velocity as a function of depth. Subsequently, after elaborating flood maps with each DEM, the results were compared in terms of flood area, mean flood width and flow depth. It is observed that the more accurate resolution, the smaller the flood area becomes. The flood map elaborated with the DEM through field survey had the best fit to the observed area. However the relation between the topographic resolutions and flow-depths was not clear in obtained results.
  • Meshless method using fundamental solution applied to computational simulation of groundwater flow of real aquifers: study case (Guariroba’s APA and Juazeiro do Norte) Scientific/Technical Article

    Rodrigues, Guilherme Costa; Queiroz, Erlandson de Vasconcelos; Barbosa, João Marcelo Costa; Castro, Marco Aurélio Holanda de; Cavazzana, Guilherme Henrique

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Neste trabalho, investigou-se a influência da distância da fronteira fictícia, um dos parâmetros do MSF, para determinar o nível piezométrico de um aquífero sedimentar não confinado sob a adoção das hipóteses de Dupuit-Forchheimer e fluxo em regime permanente. Foram modeladas duas áreas de estudo: a APA do Córrego do Guariroba, no Mato Grosso do Sul, e a cidade de Juazeiro do Norte, no Ceará. Observou-se que para usar o MSF como método numérico na modelagem do fluxo de água subterrâneo é necessário determinar o melhor valor de distância da fronteira fictícia. Esse valor pode ser escolhido a partir da utilização de dados de campo dentro do domínio de análise, onde o erro relativo é um parâmetro a ser minimizado. Aplicando essa metodologia e comparando com os resultados da aplicação do MODFLOW para o mesmo conjunto de dados iniciais, concluímos que o MSF permite estimar os valores de nível piezométrico dentro dos domínios analisados e que os resultados da comparação estatística entre os dois modelos apontam para a necessidade de investigar a representatividade de ambos os métodos para determinar qual deles é mais apropriado para modelar o fluxo de água subterrâneo de cada região.

    Abstract in English:

    ABSTRACT We investigated the influence of fictitious boundary distance, a parameter of MFS, to determine piezometric levels of two unconfined sedimentary aquifers assuming Dupuit-Forchheimer and steady-state flow hypothesis. Two study areas were modelled: Guariroba’s Environmental Protection Area, in Mato Grosso do Sul State, Brazil, and Juazeiro do Norte City, in Ceará State, Brazil. It was observed that in order to use the MFS as a numerical method in modeling groundwater flow, it is necessary to determine the best distance value of the fictitious boundary. This value can be chosen from the use of field data within the analyzed domain, where the relative error is a parameter to be minimized. Applying this methodology and comparing with the results of the MODFLOW application for the same set of initial data, we concluded that the MSF allows to estimate the piezometric level values within the analyzed domains and that the results of the statistical comparison between them point to the need to investigate the representativeness of both methods to determine which one is most appropriate for modelling the groundwater flow in each region.
  • Mathematical modeling of the infiltration in a permeable pavement on the field scale Scientific/Technical Article

    Marinho, Marília Neves; Coutinho, Artur Paiva; Santos, Severino Martins dos; Casagrande, Cézar Augusto; Santos, Guilherme Teotônio Leite; Carneiro, Arnaldo Manoel Pereira

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Pavimento permeável é uma alternativa para o manejo das águas pluviais urbanas que permite a redução da precipitação efetiva através do processo de infiltração. O estudo avaliou a capacidade de infiltração de um pavimento permeável (PP) de blocos vazados de concreto no estacionamento da Universidade Federal de Pernambuco. A caracterização hidrodinâmica e a capacidade de infiltração foram analisadas em escala real, utilizando infiltrômetro de anel simples de 100 cm de diâmetro através do método Beerkan. Realizaram-se ensaios de infiltração em doze pontos do PP. Foi aplicado o algoritmo BEST na sua versão Best-Intercept e Best-Slope, para a estimativa dos parâmetros hidrodinâmicos da equação de van Genutchen e Brooks e Corey para as curvas de retenção e de condutividade hidráulica da superfície do pavimento permeável. Os valores da condutividade hidráulica saturada determinados pelo método BEST Intercept foram superiores aos obtidos pelo BEST Slope. Os valores da Sorvidade estimados pelo BEST Slope e Intercept foram semelhantes, sendo os valores do BEST Slope ligeiramente superiores. Observou-se moderada variabilidade da infiltração na superfície do PP, como também dentro do mesmo tipo de textura. O método Beerkan demonstrou ser adaptável para medir, em escala de campo, a infiltração tridimensional na camada de revestimento do pavimento permeável.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Permeable pavement (PP) is an alternative for the management of urban rainwater that allows the reduction of effective precipitation through the infiltration process. In this study was evaluated the infiltration capacity of a PP of hollow concrete blocks in a parking lot of the Federal University of Pernambuco. The hydraulic characterization and the infiltration capacity were analyzed in real scale, using a simple ring infiltrometer of 100 cm in diameter through the Beerkan method. Infiltration tests were carried out at twelve points of the PP. The BEST algorithm was applied in it Best-Intercept and Best-Slope version, to estimate the hydraulic parameters of the van Genutchen and Brooks and Corey equations for the retention and hydraulic conductivity of the PP surface. The values of saturated hydraulic conductivity determined by the BEST Intercept method were higher than those obtained by BEST Slope. The sorptivity values estimated by BEST Slope and Intercept were similar, with BEST Slope values slightly higher. Moderate infiltration variability was observed on the PP surface, as well as within the same type of texture. The Beerkan method proved to be adaptable to measure, in field scale, the three-dimensional infiltration in the PP covering layer.
  • Eddy-covariance CO2 fluxes over Itaipu lake, southern Brazil Scientific/Technical Article

    Armani, Fernando Augusto Silveira; Dias, Nelson Luís; Damázio, Jorge Machado

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Neste trabalho, apresentam-se os fluxos de CO2, Calor Latente e Calor Sensível medidos no reservatório da Usina Hidrelétrica de Itaipu (Estado do Paraná, Brasil) durante o ano de 2013. Uma estação micrometeorológica foi instalada em uma pequena ilha do reservatório. Os fluxos de CO2 apresentaram sazonalidade: em estações quentes havia predominância de fluxos de CO2 negativos de dia e positivos à noite, que nós atribuímos à fotossíntese/respiração no reservatório; em estações frias os fluxos eram na maior parte das vezes negativos em ambos os períodos, com a concentração de CO2 no ar aparentemente impondo o sinal dos fluxos de CO2 e ventos fortes intensificando eles. 90% dos fluxos de CO2 medidos neste trabalho (−102,68 a +151,72 µg m−2s−1 na escala de tempo de 30-min.) variaram em um intervalo comparável aos fluxos medidos em lagos naturais ao redor do mundo. Em média, o reservatório agiu como uma fonte de CO2, com um fluxo médio de +12,78 µg m−2s−1.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In this work, we present CO2, latent heat and sensible heat fluxes measured over the reservoir of the Itaipu Hydroelectric Power Plant (Paraná State, Brazil) during 2013. A tower was installed at a small island in the reservoir, where an Eddy Covariance system, with supplementary equipments and analysers, was deployed. The objective of this work was to determine the magnitude of CO2 fluxes and their variation throughout the year. CO2 flux displayed seasonality: in warm months there was a predominance of negative CO2 daytime fluxes and positive CO2 nighttime fluxes, which we attributed to photosynthesis/respiration in the reservoir; in cold months there was a predominance of negative CO2 fluxes in both periods, with CO2 air concentration apparently imposing the signal of the CO2 fluxes and the strong winds intensifying them. The range of 90% of the CO2 fluxes measured in this work (−102.68 to +151.72 µg m−2s−1 at the 30-min. time scale) is comparable to those observed in natural lakes and reservoirs around the world. On the average, the reservoir acted as a source of CO2, with an overall mean flux of +12.78 µg m−2s−1.
  • Floodplain reconstitution based on data collected via smartphones: a methodological approach to hydrological risk mapping Scientific/Technical Article

    Ribeiro, Ayane Aparecida da Silva; Oliveira, Gabriel Araujo de; Cirilo, José Almir; Alves, Fellipe Henrique Borba; Batista, Larissa Ferreira David Romão; Melo, Vitor Barbosa

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O presente estudo buscou investigar a utilização de aplicativos móveis em smartphones, especificamente o aplicativo Hidromapp, como ferramenta técnica de suporte para a coleta de marcas de cheia, incluindo também a aplicação dos dados coletados no mapeamento de áreas de inundação. Para tal, no município de Jaqueira-Pernambuco, foram coletadas em campo informações sobre a inundação ocorrida em maio de 2017, utilizando smartphones e o aplicativo Hiromapp. As informações foram posteriormente utilizadas como dados de entrada para a modelagem e reconstituição da mancha de inundação, por meio de técnicas de geoprocessamento e Modelo Digital de Terreno de alta resolução (Pernambuco Tridimensional – PE3D). Para a avaliação dos resultados, a mancha de inundação reconstituída foi comparada com resultados de modelagem hidrodinâmica, a partir de indicadores estatísticos (RMSE e Índice de Sucesso Crítico - C). Além disso, foram observados aspectos relacionados ao desempenho do aplicativo Hidromapp enquanto ferramenta de suporte para a coleta em campo de marcas de cheia. Como resultados, o aplicativo demonstrou bom desempenho para a coleta de dados em campo, e o método aplicado possibilitou uma estimativa parcialmente adequada do evento reconstituído, em que a área (extensão) da inundação apresentou alto grau de similaridade com o modelo comparado, porém com ressalvas para as profundidades da lâmina d’água, em que foram detectadas discrepâncias consideráveis em alguns pontos da área de estudo.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The present study aimed to investigate the use of mobile applications on smartphones, specifically the Hidromapp application, as a technical support tool for flood data collection, as well as its use in flood mapping. To this end, information about a flood event of May 2017 was collected in the municipality of Jaqueira-Pernambuco, using smartphones and the Hidromapp application. Information was later used as input data for modeling and floodplain reconstitution. The study used geoprocessing techniques and a high-resolution Digital Terrain Model (Pernambuco Tridimensional - PE3D). For result evaluation, the reconstituted floodplain was compared with hydrodynamic modeling results using statistical indicators (RMSE and Critical Success Index - C). The app presented a good performance as a support tool for field collection of floodmark data. The applied method allowed a partially adequate estimation of the reconstituted event, in which the flooded area (extension) showed a high degree of similarity with the compared model, but with caveats for water surface elevations, where considerable discrepancies were detected in some points of the study area.
  • Applying an Exponentially Weighted Moving Average control chart using flow history and assured energy levels to small hydroelectric power plants Scientific/Technical Article

    Vasconcellos, Bruna Tayla Cabral de; Tiago, Geraldo Lúcio; Bonatto, Benedito Donizeti; Souza, Oswaldo Honorato de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO As usinas hidrelétricas de pequeno porte correspondem a 6 GW da potência instalada no Brasil. Contudo, recentemente, a geração de energia elétrica de cada usina se mostrou abaixo do previsto por suas respectivas garantias físicas. Assim, este artigo analisa o histórico de vazões de 24 usinas utilizando cartas de controle exponencial de média móvel na tentativa de verificar se as mudanças climáticas ou no uso e ocupação do solo poderiam ter alterado ao longo do tempo a vazão média anual disponível na bacia. Os gráficos não mostraram nenhuma tendência de queda ou aumento na vazão média, mas demonstraram um recorrente número de pontos fora de controle, o que comprova a sensibilidade da energia assegurada em relação às variações hidrológicas e a necessidade de se avaliar o uso de vazões médias diárias para o cálculo e análise da energia gerada por usinas hidrelétricas de pequeno porte.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Small hydroelectric power plants make up 6 GW of installed capacity in Brazil. However, electricity generation at the plants has been below their expected Assured Energy Levels (AELs) recently. This paper analyzes the flow history of 24 plants using exponential moving average control charts in an attempt to verify whether climate change or land use and occupation could have changed the average annual flow available in the basin over time. The graphs showed neither a decreasing or increasing trend in average flows, but rather showed a recurring number of out-of-control points, which proves the sensitivity of assured energy to hydrological variations and the need to evaluate the use of daily average flow rates for calculating and analyzing the energy generated by small power plants.
  • Multi-level governance application to a shared river basin Scientific/Technical Article

    Assis, Wanessa Dunga de; Ribeiro, Márcia Maria Rios; Silva, Simone Rosa da

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Sistemas de governança de água devem ser eficientes em estabelecer políticas capazes de nortear a tomada de decisão. Os arcabouços precisam ponderar a complexidade intrínseca das interações interescala e multinível. Aspectos como descentralização e comprometimento entre as partes interessadas são pilares a serem considerados. Existem desafios a serem vencidos em bacias compartilhadas (nacionais ou internacionais) uma vez que há a necessidade de gerenciar a água em diferentes escalas e múltiplos níveis. Este estudo tem como objetivo analisar o grau de implementação da Política Nacional de Recursos Hídricos em uma bacia federal compartilhada (a Bacia Hidrográfica do Rio São Francisco) no seu nível macro e no nível micro (as 34 sub-bacias que a compõe). São analisadas as interrelações multiníveis na implementação da política hídrica como balizador da governança da água. Para tal, considera-se o Princípio 2 da Governança da Água da OECD (Gerenciar a água em escalas apropriadas) como fundamento para essa análise. Uma adaptação da metodologia do Quadro de Indicadores da Governança da Água é usada para classificar as 34 sub-bacias em distintos estágios de implementação da política hídrica. Os resultados apontam para deficiências no processo de implementação da política em sub-bacias. Há necessidade de melhores interações nos níveis federal, estadual e das bacias hidrográficas a fim de fortalecer o sistema de governança.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Water governance systems must be effective in establishing policies capable of guiding decision making. Their framework needs to weigh the intrinsic complexity of inter-scale and multi-level interactions. Aspects such as decentralization and stakeholder engagement are pillars to be considered. In shared river basins (international or national), there are challenges to overcome since there is a need for managing water at different scales and multiple levels. This study aims to analyse the degree of implementation of the National Water Resources Policy in a shared federal basin in Brazil (the São Francisco River Basin) considering the basin as a whole (macro level) and its micro level (the 34 sub-basins that compose it). Multi-level interrelationships in the implementation of water policy are analysed. To this end, OECD Water Governance Principle 2 (“Manage water at the appropriate scales”) is considered as the basis for this analysis. An adaptation of the OECD Water Governance Indicator Framework methodology is used to classify the 34 sub-basins at different stages of water policy implementation. The outcomes indicate deficiencies in the process of water policy implementation in sub-basins. There is a need for better interactions at the federal, state and river basin levels to strengthen the governance system.
  • Hydrological responses in equatorial watersheds indicated by Principal Components Analysis (PCA) – study case in Atrato River Basin (Colombia) Scientific/Technical Article

    Betancur, Sebastián Balbín; Gastmans, Didier; Vásquez, Katherine Vásquez; Santarosa, Lucas Vituri; Santos, Vinícius dos; Kirchheim, Roberto Eduardo

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A bacia do Rio Atrato está situada na costa Pacífica da Colômbia, região que apresenta uma das maiores taxas de precipitação no mundo. O principal objetivo desse estudo foi o de determinar os processos dominantes nas respostas hidrológicas de 17 sub-bacias situadas na bacia do Rio Atrato pela aplicação da análise das componentes principais (ACP). As sub-bacias localizadas nas cabeceiras do Rio Atrato apresentaram tempos de resposta médios/rápidos em relação aos eventos de precipitação, enquanto um fluxo bastante homogêneo foi observado nas bacias localizadas na porção baixa da Bacia. Três componentes principais explicam 85,18% da variância total. A componente principal CP1 está associado às contribuições para as baixas vazões, precipitação índice de compacidade e texturas finas e grossas do solo, A CP2 associado as variáveis fisiográficas relacionadas ao arcabouço geológico e as texturas finas e a CP 3 associado ao padrão das altas vazões Q5 e Q1 assim como a extensão da bacia. As maiores descargas específicas estão associadas a presença de depósitos aluviais e a cobertura florestal nas porções baixas da Bacia, enquanto as áreas montanhosas determinam a geração do fluxo superficial.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The Atrato river basin is located in the Pacific fringe of Colombia, region with one of the highest precipitation rates in the world. The main purpose of this study is to determine the dominant processes in the hydrological responses along 17 sub-basins within the basin using principal component analysis. Watersheds located at the headwater presented a fast or medium response to the precipitation events, while higher flow homogeneity was observed in watersheds located at the lower portions of the basin. Three principal components were responsible for explaining 85.18% of the total variance. The component PC1 revealed the largest contributions for low flow behavior, being associated to precipitation, characteristic discharge values, compactness index, soil coverage and soil coarse textures. The component PC2 was assigned to the geological variables, fine and average texture soil and the average basin slope. Finally, the component PC3 has shown to be related to high flow patterns (maximum characteristic discharge values Q5 and Q1), igneous rocks and length of the basin. Highest specific discharge was associated to alluvial deposits and forest cover, whereas the slope was considered determinant for the run-off generation.
  • Sensitivity of hydrodynamic parameters in the simulation of water transfer processes in a permeable pavement Scientific/Technical Article

    Costa, Ialy Rayane de Aguiar; Coutinho, Artur Paiva; Montenegro, Suzana Maria Gico Lima; Rabelo, Ana Emília Carvalho de Gusmão da Cunha; Santos, Severino Martins dos; Alves, Edevaldo Miguel; Antonino, Antonio Celso Dantas

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O elevado processo de urbanização tem provocado profundas alterações nos componentes do ciclo hidrológico, ocasionando diversos problemas como inundações, degradação das águas pluviais, entre outros. As técnicas de Desenvolvimento de Baixo Impacto (LID) provaram ser uma alternativa viável e eficaz na gestão das águas pluviais, reduzindo o escoamento superficial e aumentando a capacidade de infiltração e evapotranspiração das áreas urbanas. A previsão do funcionamento de uma técnica compensatória como um pavimento permeável depende das propriedades hidrodinâmicas das camadas do pavimento permeável, bem como das propriedades hidráulicas do subsolo. Os modelos baseados na solução numérica da equação de Richards têm sido os mais utilizados para a estimativa dos processos de transferência de água. O objetivo deste trabalho foi investigar a influência dos parâmetros hidrodinâmicos no comportamento hidráulico de um pavimento permeável instalado na cidade de Recife-PE. O efeito de 5 parâmetros hidrodinâmicos foi analisado para um pavimento permeável altamente heterogêneo. Foi utilizado o modelo Hydrus 1-D para simular os processos de transferência de água num pavimento permeável. Inicialmente foi realizada uma análise de sensibilidade do grau de refinamento da malha para simulação dos processos de transferência no pavimento permeável. O método de superfície de resposta foi aplicado para a análise de sensibilidade aos parâmetros hidrodinâmicos. As estimativas foram realizadas para as escalas de tempo diária e horária. Como resultados, observou-se que a discretização espacial não exerceu influência nos cenários das variáveis de fluxo. O uso de uma escala de tempo diária diminuiu a influência dos eventos de maior intensidade de precipitação, subestimando a geração de escoamento superficial. A lâmina escoada apresentou maior sensibilidade aos parâmetros da camada superficial, principalmente à condutividade hidráulica saturada. A infiltração e recarga acumuladas apresentaram baixa sensibilidade à variação dos parâmetros. A estimativa da lâmina armazenada no perfil foi mais sensível aos parâmetros ‘θs’ e ‘n’ da camada de subbase. A utilização de dados de entrada climatológicos com diferentes resoluções temporais para a simulação dos processos de transferência de água na seção do pavimento permeável demonstrou que na resolução diária os parâmetros hidrodinâmicos apresentam maior influência que as variáveis climáticas. A utilizados de dados climatológicos com resolução temporal horária demonstrou que o escoamento superficial foi hipoteticamente controlado pelas variáveis meteorológicas. A análise de sensibilidade da malha e dos parâmetros pode influenciar pesquisas que busquem entender os processos de transferência de água em uma estrutura como um pavimento permeável através da equação de Richards, gerando um menor custo operacional e dando celeridade às simulações.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The high urbanization process has caused profound changes in the components of the hydrological cycle, causing various problems such as flooding, rainwater degradation, among others. Low Impact Development (LID) techniques have proven to be a viable and effective alternative to stormwater management, reducing runoff, and increasing the infiltration and evapotranspiration capacity of urban areas. The operation prediction of a compensatory technique, such as permeable pavement, depends on the hydrodynamic properties of the permeable pavement layers and the subsoil properties. The numerical solutions based on the solution of Richards’ equation have been the most used to estimate water transfer processes. The objective of this work was to investigate the influence of hydrodynamic parameters on the hydraulic behavior of a permeable pavement installed in Recife-PE. The effect of 5 hydrodynamical parameters was analyzed for a highly heterogeneous permeable pavement. The Hydrus 1-D model was used to simulate water transfer processes on the permeable pavement. Initially, a sensitivity analysis of the mesh refinement degree was performed to simulate the transfer processes in the permeable pavement. The response surface method was applied to the hydrodynamic parameters to perform the sensitivity analysis. The calculations were carried out for hourly and daily time scales. As a result, it was observed that the spatial discretization had no influence on the scenarios of the flow variable. The use of a daily time resolution reduced the influence of events with higher precipitation intensity, underestimating the generation of runoff. The surface runoff showed higher sensitivity to the parameters of the superficial layer, especially to the saturated hydraulic conductivity. The cumulative infiltration and groundwater recharge showed low sensitivity when the hydrodynamic parameters of the retention curve and the saturated hydraulic conductivity varied. The volume of water stored in the profile showed higher sensitivity to the ‘θs’ and ‘n’ parameter of the subbase layer. The use of meteorological input data with different temporal resolutions for the simulation of the water transfer processes in the permeable pavement section demonstrated that the hydrodynamic parameters have a higher influence than the climatic variables in the daily resolution. The use of meteorological data with hourly temporal resolution demonstrated that runoff was hypothetically controlled by meteorological variables. The mesh and parameter sensitivity analysis can influence researches that seek to understand water transfer processes in a structure as a permeable pavement through the Richards’ equation, generating a lower operating cost and speeding up simulations.
  • Optimal pump selection for variable speed operation in water distribution network Scientific/Technical Article

    Móller, Débora Salomé; Lima, Gustavo Meirelles; Brentan, Bruno Melo; Barros, Daniel Bezerra

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A otimização da operação das estações elevatórias nas redes de distribuição de água tem sido amplamente estudada, principalmente com o desenvolvimento de conversores de frequência, que permitem que as máquinas ajustem a potência hidráulica de acordo com as demandas requeridas. Embora essa abordagem resulte em muitos benefícios, as características originais das bombas permanecem as mesmas. Consequentemente, as bombas podem estar operando em um intervalo de eficiência abaixo do ideial. Portanto, esse artigo irá avaliar os beneficios que a seleção otimizada de uma bomba pode gerar para sua operação com rotação variável. A seleção da bomba com o melhor ponto de operação e o número de bombas operando em paralelo na rede foram definidos através da técnica Particle Swarm Optimization (PSO), minimazando os custos de energia do sistema. Os resultados mostram que não há benefício em operar múltiplas bombas em paralelo, e que manter uma rotina operacional mais flexível reduz significativamente os gastos com energia, principalmente quando a bomba é selecionada com este objetivo.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The optimization of pumping stations operation in water distribution networks has been largely studied, especially with the development of speed drivers, which allowed the machines to adjust the hydraulic power inserted to the system according to the demand requirements. Although this approach results in high benefits, the original characteristics of pumps remains the same. Consequently, the pumps can be operating in a range of suboptimal efficiency. Thus, this paper will evaluate the benefits that an optimized pump selection can bring for variable speed operation. The selection of the pumps best efficiency point and the number of pumps operating in parallel are defined applying Particle Swarm Optimization (PSO) to minimize the energy costs of the system. For the case study, the results show that there is no benefit when more pumps are operated in parallel, and that a flexible operational routine significantly reduces the energy expenses, especially when the pump is selected for this purpose.
  • The combined effect of climate oscillations in producing extremes: the 2020 drought in southern Brazil Scientific/Technical Article

    Grimm, Alice Marlene; Almeida, Arlan Scortegagna; Beneti, Cesar Augustus Assis; Leite, Eduardo Alvim

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A seca de 2020 no Sul do Brasil, que culminou no final do verão e início do outono (fevereiro-março-abril), apresentou um dos mais deficientes totais pluviométricos em tal trimestre. Tal período do ano já vinha apresentando predominância de desvios pluviométricos negativos desde o final dos anos 1990. Esta recente seca representa, portanto, piora significativa num quadro já desfavorável de disponibilidade hídrica. Tal comportamento de longo prazo deve-se à combinação de fases opostas de duas oscilações climáticas interdecadais na temperatura da superfície do mar: a fase positiva da Oscilação Multidecadal do Atlântico e a fase negativa da Oscilação Interdecadal do Pacífico. Tal combinação produz variação no estado básico da atmosfera que favorece estiagem no Sul do Brasil nessa época do ano e a ocorrência mais frequente de secas. Para que ocorra um evento extremo, geralmente é necessário que, em adição a oscilações interdecadais, ocorra um evento de oscilação interanual que também favoreça a seca, como os eventos de El Niño Central em 2020 e La Niña em 2009 e 2012, anos de secas no Sul do Brasil durante a mesma combinação de fases das duas oscilações interdecadais. Mudanças climáticas antrópicas podem intensificar a frequência e intensidade destes eventos extremos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The 2020 drought in southern Brazil, which culminated in late summer and early autumn (February-March-April), displayed one of the most deficient rainfall totals in such trimester. This period of the year has already been dominated by negative rainfall deviations since the end of the 1990s. This recent drought represents, therefore, a significant worsening in an already unfavorable situation of water availability. Such long-term behavior is due to the combination of opposite phases of two interdecadal oscillations in the sea surface temperature: the positive phase of the Atlantic Multidecadal Oscillation and the negative phase of the Pacific Interdecadal Oscillation. This combination produces variation in the atmospheric basic state that favors less rainfall in southern Brazil at this time of the year and more frequent occurrence of droughts. For an extreme event to occur, it is usually necessary that, in addition to interdecadal oscillations, an interannual oscillation event occurs that also favors drought, such as the events of Central El Niño in 2020 and La Niña in 2009 and 2012, years of droughts in southern Brazil during the same phase combination of the two interdecadal oscillations. Anthropic climate changes can intensify the frequency and intensity of these extreme events.
  • Advances and challenges in the water sciences in Brazil: a community synthesis of the XXIII Brazilian Water Resources Symposium Scientific/Technical Article

    Paiva, Rodrigo Cauduro Dias de; Chaffe, Pedro Luiz Borges; Anache, Jamil Alexandre Ayach; Fontes, Andrea Sousa; Araujo, Ligia Maria Nascimento de; Araujo, Anderson Nascimento de; Bartiko, Daniel; Bleninger, Tobias; Amorim, Pablo Borges de; Buarque, Diogo Costa; Carlotto, Tomas; Collischonn, Walter; Detzel, Daniel Henrique Marco; Fan, Fernando Mainardi; Formiga-Johnsson, Rosa Maria; Kobiyama, Masato; Mannich, Michael; Marques, Guilherme; Michel, Gean Paulo; Oliveira, Debora Yumi de; Oliveira, Paulo Tarso Sanches de; Pinheiro, Adilson; Ruhoff, Anderson; Siqueira, Vinicius Alencar; Tassi, Rutineia; Zanandrea, Franciele

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Este artigo apresenta uma síntese das sessões especiais do XXIII Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2019, com o objetivo de compreender os principais avanços e desafios em recursos hídricos no Brasil. Foram analisados mais de 250 trabalhos e apresentações em 16 sessões especiais abrangendo temas como Variabilidade e Mudanças Climáticas, Desastres, Modelagem, Hidrologia de Grande Escala, Sensoriamento Remoto, Educação e Gestão de Recursos Hídricos. Esta avaliação destacou a diversidade única de atributos naturais e antrópicos dos recursos hídricos brasileiros, que oferece uma grande oportunidade para aprendizado sobre sistemas hidrológico e humano acoplados. A maioria das contribuições é relacionada a métodos e quantificação de fenômenos hídricos, existindo uma necessidade clara de incentivo a mais pesquisas em compreensão de fenômenos. Existe uma vasta rede de coautores, mas principalmente da academia e com certo grau de fragmentação regional. A comunidade da ABRhidro tem o desafio de aumentar a sua rede de colaboração, a cultura de análises de síntese, e construir uma agenda comum para a pesquisa em recursos hídricos. Também é o momento de alinhar esforços com a comunidade de recursos hídricos internacional, usando nossas experiências para contribuir ativamente na solução de questões relacionadas à água em nível global.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In this paper we synthesize the special sessions of the XXIII Brazilian Water Resources Symposium 2019 in order to understand the major advances and challenges in the water sciences in Brazil. We analyzed more than 250 papers and presentations of 16 special sessions covering topics of Climate Variability and Change, Disasters, Modeling, Large Scale Hydrology, Remote Sensing, Education, and Water Resources Management. This exercise highlighted the unique diversity of natural and human water features in Brazil, that offers a great opportunity for understanding coupled hydrological and societal systems. Most contributions were related to methods and the quantification of water phenomena, therefore, there is a clear necessity for fostering more research on phenomena comprehension. There is a vast network of co-authorship among institutions but mostly from academia and with some degree of regional fragmentation. The ABRhidro community now has the challenge to enhance its collaboration network, the culture of synthesis analysis, and to build a common agenda for water resources research. It is also time for us to be aligned with the international water science community and to use our experiences to actively contribute to the tackling of global water issues.
  • Impacts of land use and cover change on Paraíba do Sul whatershed streamflow using the SWAT model Technical Note

    Andrade, Marcel Pereira de; Ribeiro, Celso Bandeira de Melo

    Abstract in Portuguese:

    ABSTRACT The main purpose of this work was to analyze the impact of land use and cover change in the Paraíba do Sul basin using SWAT model. Two land use and cover scenarios were analyzed, one referring to the year 1986 and other to the year 2015. The results showed that the SWAT model adjusted very well to the basin after calibration and validation. In addition, it was observed that in the scenario of 2015 the long-term flow rate was lower in a large part of the study area, especially the sub-basins in the stretch of the Paraibuna river. It was noticed that the changes in the behavior of the permanence curve were more representative in the Paraibuna river and in the Preto river. In the first one, due to the decrease of the forest area, the drought conditions and minimum flows were intensified. In the second, water availability improved in the 2015 scenario. Finally, the results presented here along with the calibrated SWAT model can help the water resource managers in the Paraíba do Sul basin and future works that aim to evaluate the impacts of climate change on the streamflow.

    Abstract in English:

    RESUMO Este trabalho teve como objetivo avaliar os impactos das alterações do uso e cobertura do solo na bacia do rio Paraíba do Sul utilizando o modelo SWAT. Foram avaliados dois cenários de uso e cobertura do solo, um referente ao ano de 1986 e outro ao ano de 2015. Os resultados mostraram que o modelo SWAT se ajustou muito bem a bacia, após a calibração e validação. Além disso, observou-se que no cenário de 2015 a vazão de longo período, foi inferior em grande parte da área de estudo, com destaque para as sub-bacias no trecho do rio Paraibuna. Notou-se que as alterações no comportamento da curva de permanência foram mais representativas nas estações do rio Paraibuna e do rio Preto. Que na primeira, devido a diminuição da área de floresta, as condições de seca e de vazões mínimas foram intensificadas. Já na segunda, a disponibilidade hídrica melhorou no cenário de 2015, devido ao aumento da área de floresta. Por fim, os resultados aqui apresentados juntamente com o modelo SWAT calibrado podem servir de auxílio aos gestores de recursos hídricos atuantes na bacia do rio Paraíba do Sul e para futuros trabalhos que visem avaliar, também, os impactos das mudanças climáticas sobre a vazão.
  • Verification of the stationarity of flow series in the Iguaçu River basin Technical Note

    Tozzi, Bruna Kiechaloski Miró; Fill, Heinz Dieter Oskar August

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O objetivo desta nota técnica é verificar a estacionariedade de vazões na Bacia do rio Iguaçu, considerando 14 estações fluviométricas. Foram estudados três conjuntos de séries de vazões anuais: vazões médias, vazões máximas e vazões mínimas de 7 dias de duração. Inicialmente, foi feita uma análise exploratória dos dados, onde fixou-se dois pontos de mudança das características das vazões, em seguida foram aplicados testes estatísticos de igualdade de média e variância, tanto paramétricos, como não paramétricos. Por fim, foram utilizados testes compostos considerando a bacia dividida em Alto e Baixo Iguaçu. Na análise exploratória dos dados, concluiu-se que aparentemente houve uma alteração na tendência das vazões, ora na década de 1970, ora na década de 1980. Assim, as séries foram divididas tanto na metade, como no ponto sugerido na análise exploratória. Em relação aos testes estatísticos, adotou-se como mais representativo o teste de Mann-Whitney, pelo mesmo não depender da distribuição subjacente das séries de vazões e pelas recomendações da literatura. Concluiu-se que a alteração das vazões ocorreu em um intervalo relativamente curto de tempo, podendo ser tratada como uma não estacionariedade por salto. Observa-se que de forma geral, a alteração mais recente foi à jusante da estação fluviométrica de União da Vitória. Uma alteração no comportamento das vazões médias e máximas ficou evidente, no entanto, tal fenômeno não foi observado na avaliação das vazões mínimas.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The purpose of this technical note is to verify the stationarity of flows in the Iguaçu River Basin, considering 14 fluviometric stations. For this purpose, three sets of annual flow series were studied: mean flows, maximum flows and minimum flows of 7 days. Initially, the exploratory analysis of the data was performed, based on the establishment of two points of change of the characteristics of the flows and the accomplishment of statistical tests of equality of mean and variance, parametric and nonparametric. Finally, composite tests were used considering the basin divided into Upper and Lower Iguaçu. In the exploratory analysis of the data, it was concluded that there was apparently a change in the trend of flow rates, part in the 1970s, part in the 1980s. Therefore, the series were divided in two different ways, at the half and at the point suggested in the exploratory analysis. Regarding the statistical tests, the Mann-Whitney test was chosen because it did not depend on the underlying distribution of the flow series, and because the test was highly recommended by other authors. It was concluded that the flow change occurred in a relatively short interval of time, and could be treated as a non-stationarity per hop. In general, the most recent change was downstream of the Uniao da Vitória fluviometric station. A change in the behavior of the mean and maximum flows was evident, however, such phenomenon was not observed in the evaluation of the minimum flows.
  • Breach parameters for cascade dams’ breaks using physical, empirical and numerical modeling Technical note

    Campos, Rubens Gomes Dias; Saliba, Aloysio Portugal Maia; Baptista, Márcio Benedito; Biscaro, Victor Hugo Brum; Sá, Júlia Muniz de Miranda; Passos, Daniel Tuler; Coelho, Stênio Augusto de Souza; Gómez, José Antonio Mamani

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO As consequências ambientais, econômicas e sociais das rupturas de barragens são catastróficas e demandam seu conhecimento prévio para minimização dos riscos. Essas consequências estão diretamente relacionadas às brechas de ruptura, cujos parâmetros de tempo de formação e geométricos – largura, altura e declividades dos taludes laterais – devem ser adequadamente representativos de uma ruptura real, para que se possa obter um hidrograma de ruptura representativo (evolução temporal, volume e vazão de pico). Esta representação se torna mais fidedigna quanto mais próxima das consequências reais de uma ruptura, criando condições para respostas à emergência mais adequadas. Assim, esta pesquisa determina os parâmetros de formação de brecha para ruptura hipotética, especificamente para o caso de reservatórios em cascata (em série ou em cadeia). Para que possam ser determinados estes parâmetros, a metodologia utiliza modelos físicos reduzidos e modelagem numérica procurando representar duas barragens justapostas em cascata, baseadas em um caso de referência, determinando os parâmetros resultantes em cada barramento após os eventos de ruptura simulados.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The environmental, economic, and social consequences of dam breaks are catastrophic and require their prior knowledge to minimize risks. These consequences are directly related to rupture breach parameters, such as formation time and breach geometry (width, height, and lateral slopes). These parameters must be adequately representative of a real rupture to obtain a rupture hydrograph also representative (temporal evolution, volume, and peak flow). This representation becomes more reliable as the closer to the actual consequences of a rupture it is, thus creating conditions for an adequate emergency action plan. This research evaluates the parameters of breach formation for a possible rupture, specifically for the case of reservoirs in a sequence, also called cascade reservoirs. The adopted methodology uses physical reduced models and numerical modeling to define these parameters, trying to represent two cascade dams, based on a reference case, determining their values in each dam after the simulated rupture events.
  • Objective functions used as performance metrics for hydrological models: state-of-the-art and critical analysis Technical Note

    Ferreira, Paloma Mara de Lima; Paz, Adriano Rolim da; Bravo, Juan Martín

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Modelos hidrológicos (MHs) podem ser aplicados para diferentes propósitos, uma etapa fundamental é a calibração do modelo usando funções objetivo (FO) para quantificar a concordância entre as vazões observadas e calculadas. O entendimento completo das FO é importante para aproveitar adequadamente a calibração do modelo e interpretar os resultados. Este estudo avalia 36 FO propostas na literatura, considerando duas bacias hidrográficas de diferentes regimes hidrológicos. Séries temporais diárias de vazão simulada, usando um modelo hidrológico distribuído (MGB-IPH), e dez séries temporais sintéticas diárias, geradas a partir das vazões observadas e calculadas, foram usadas na análise de cada bacia hidrográfica. Esses dados sintéticos foram usados ​​para avaliar como cada métrica avalia os casos hipotéticos que apresentam comportamentos de erro isolados muito conhecidos. Apesar de todas as métricas derivadas de NSE (eficiência de Nash-Sutcliffe) que usam o quadrado dos resíduos em sua formulação terem demonstrado maior sensibilidade a erros nas vazões altas, os que usam médias diárias e mensais das vazões em termos absolutos foram mais rigorosos que os outros para avaliar o desempenho dos MHs. Erros nas vazões baixas foram melhor avaliados por métricas que usam o logaritmo das vazões. A presença constante de vazões zero os deteriora significativamente, com exceção das métricas TRMSE (erro quadrático médio da raiz transformada) não demonstraram esse problema. Uma limitação observada das formulações de algumas métricas foi que os erros de superestimação ou subestimação são compensados. Nossos resultados reafirmam que cada métrica deve ser interpretada pensando especificamente nos aspectos para os quais foi proposta e, considerando simultaneamente um conjunto de métricas, levaria a uma avaliação mais ampla da capacidade do MH (ex: avaliação de modelo multiobjetivo). Recomendamos que o uso de séries temporais sintéticas, como as propostas neste trabalho, possa ser útil como um passo auxiliar no melhor entendimento da avaliação de um modelo hidrológico calibrado para cada estudo de caso, levando em consideração as capacidades do modelo e as características observadas do regime hidrológico.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Hydrological models (HMs) can be applied for different purposes, and a key step is model calibration using objective functions (OF) to quantify the agreement between observed and calculated discharges. Fully understanding the OF is important to properly take advantage of model calibration and interpret the results. This study evaluates 36 OF proposed in the literature, considering two watersheds of different hydrological regimes. Daily simulated streamflow time-series, using a distributed hydrological model (MGB-IPH), and ten daily streamflow synthetic time-series, generated from the observed and calculated streamflows, were used in the analysis of each watershed. These synthetic data were used to evaluate how does each metric evaluate hypothetical cases that present isolated very well known error behaviors. Despite of all NSE-derived (Nash-Sutcliffe efficiency) metrics that use the square of the residuals in their formulation have shown higher sensitivity to errors in high flows, the ones that use daily and monthly averages of flow rates in absolute terms were more stringent than the others to assess HMs performance. Low flow errors were better evaluated by metrics that use the flow logarithm. The constant presence of zero flow rates deteriorate them significantly, with the exception of the metrics TRMSE (Transformed root mean square error) did not demonstrate this problem. An observed limitation of the formulations of some metrics was that the errors of overestimation or underestimation are compensated. Our results reassert that each metric should be interpreted specifically thinking about the aspects it has been proposed for, and simultaneously taking into account a set of metrics would lead to a broader evaluation of HM ability (e.g. multiobjective model evaluation). We recommend that the use of synthetic time series as those proposed in this work could be useful as an auxiliary step towards better understanding the evaluation of a calibrated hydrological model for each study case, taking into account model capabilities and observed hydrologic regime characteristics.
  • Wind measurements using a LIDAR on a buoy Technical Note

    Nassif, Felipe Barros; Pimenta, Felipe Mendonça; Assireu, Arcilan Trevenzoli; D’Aquino, Carla de Abreu; Passos, Julio César

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A tecnologia LIDAR é uma alternativa promissora para a medição de ventos, exigindo menor manutenção e custos que as torres meteorológicas. Estes equipamentos são capazes de medir perfis do vento através de um laser infravermelho, o qual é retroespalhado por aerossóis e partículas transportadas pelo ar. O LIDAR pode ser montado em plataformas fixas ou móveis. Quando instalado em plataformas como bóias fundeadas, o movimento causado pelas ondas deve ser avaliado e corrigido. Este estudo descreve o uso de um sistema mecânico e métodos analíticos para a compensação de movimento de um LIDAR montado em uma bóia. Um experimento de 24 horas foi realizado no Reservatório Hidroelétrico de Furnas para testar o sistema de estabilização, avaliar movimentos residuais e analisar os ventos. Algoritmos de correção das velocidades horizontais do vento foram aplicados usando medições de arfagem e rolagem, fornecidas por um sensor inercial. As análises demonstram que os erros de velocidade horizontal do vento são insignificantes para inclinações de bóia inferiores a 20 graus. O LIDAR montado em bóia representa uma solução econômica para perfilagem dos ventos e avaliação de recursos eólicos em ambientes aquáticos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT LIDAR technology is a promising alternative for the measurement of winds, requiring less maintenance and lower costs than meteorological towers. They are capable of remotely profiling winds by means of an infrared laser, which is backscattered by aerosols and particles carried by the air. The LIDAR can be assembled on fixed or mobile platforms. When installed on platforms such as moored buoys, the motion caused by waves must be evaluated and corrected. This study describes the use of a mechanical system and analytical methods for the motion compensation of a buoy-mounted LIDAR. A 24-hour experiment was conducted on Furnas Hydroelectric Reservoir to test the mechanical system, evaluate residual motions, and assess the winds. Correction algorithms for the horizontal wind speeds were applied using pitch and roll measurements, provided by an inertial sensor. Analyses demonstrate that horizontal wind speed errors are negligible for buoy inclinations of less than 20 degrees. The buoy-mounted LIDAR represents an economical solution for wind profiling and resource assessment of aquatic environments.
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