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RBRH, Volume: 26, Published: 2021
  • Experimental study of pressure flushing of non-cohesive sediment through slotted pipe bottom outlet Scientific/technical Article

    Paulo, Felipe Azevedo; Abreu, Aline Saupe; Prá, Maurício Dai; Endres, Luiz Augusto Magalhães; Ferla, Rute; Teixeira, Eder Daniel

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Entre as medidas de prevenção e mitigação da sedimentação em reservatórios, descarregadores de fundo se apresentam como uma forma de remover sedimentos que se depositam junto ao barramento. Dada a restrita remoção de sedimento gerada pelos descarregadores tradicionais em condições de pressure flushing, este artigo propõe uma nova configuração de descarregador de fundo que visa aumentar o alcance de remoção de sedimentos no sentido paralelo ao eixo da barragem. Foi empregada uma instalação experimental para avaliar seu funcionamento em função da variação de seu diâmetro e de características do escoamento e do sedimento. Através da análise da batimetria gerada pela estrutura, desenvolveu-se uma relação adimensional que estima o alcance de remoção de sedimento, apresentando bom ajuste aos dados experimentais.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Among several techniques for prevention and mitigation of reservoir sedimentation, bottom outlets arise as a means of removing sediment deposited close to the dam. Given the reduced sediment removal provided by traditional bottom outlets under pressure flushing conditions, this article proposes a new type of structure that aims to increase sediment removal in the direction parallel to the dam axis. An experimental installation was employed to evaluate its operation as a function of the variation of its diameter and flow and sediment characteristics. Through analysis of the bathymetry generated by the structure, a dimensionless relation for predicting the scour pit length was obtained, presenting good fitness to the experimental data.
  • Estimation of potential groundwater recharge by a drywell in sandy clay soil Scientific/technical Article

    Justino, Eliane Aparecida; Failache, Moisés Furtado; Barbassa, Ademir Paceli

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Foi estimada a recarga potencial do aquífero (Rpot) promovida por um poço de infiltração que recebe, armazena temporariamente e infiltra o escoamento superficial direto de uma área de contribuição (180.5 m2) constituída de telhado e piso cimentado. Para servirem de comparação, a Rpot, também, é considerada nios casos em que o escoamento superficial direto é direcionado para um sistema convencional de drenagem água pluvial e acontece em uma área de contribuição semelhante, mas com cobertura gramada,. A metodologia envolveu o uso da equação de balanço hídrico, monitoramento da precipitação e do conteúdo de água no solo até 1.92 m de profundidade, estimativa do transbordamento do poços de infiltração usando o modelo Puls modificado e determinação da evapotranspiração real usando o coeficiente de estresse hídrico nos anos de 2017 e 2018. A Rpot considerando o poço de infiltração foi de 83.3% do volume precipitado, 2.22 vezes maior que o da área coberta por grama (37.6%), justificado pelo aumento da área para evapotranspiração neste ultimo caso. Por sua vez, o sistema tradicional de drenagem urbana não demonstrou potencial de recarga de água subterrânea. Portanto, o poço de infiltração contribui significativamente para a recarga do aquífero, além de servir como controle local de inundações.

    Abstract in English:

    ABSTRACT We estimated the potential groundwater recharge (Rpot) of a drywell that receives, temporarily stores, and infiltrates direct surface runoff from a contribution area (180.5 m2) comprising a roof and a cemented floor. The Rpot for traditional rainwater management and for similar contribution area but covered with grass was also estimated for comparison. Our methodology involved the use of water budget equation, monitoring of rainfall and soil water content up to 1.92 m depth, estimation of drywell overflow using the modified Puls model, and determination of actual evapotranspiration using water stress coefficient in 2017 and 2018. Results revealed that the Rpot for drywell was 83.3% of the precipitated volume, 2.22 times higher than that of the grass-covered area (37.6%) given the increased area for evapotranspiration in the latter. In turn, the traditional urban drainage system did not demonstrate potential of groundwater recharge. Therefore, the drywell contributes significantly to groundwater recharge apart from serving as local flood control.
  • Stepped spillways with aerators: hydrodynamic pressures and air entrainment Scientific/technical Article

    Ferla, Rute; Novakoski, Carolina Kuhn; Priebe, Priscila dos Santos; Prá, Mauricio Dai; Marques, Marcelo Giulian; Teixeira, Eder Daniel

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Devido à possibilidade de danos em decorrência do fenômeno da cavitação, o projeto de vertedouros em degraus considera vazões específicas máximas de 15 a 30 m2/s, limite consideravelmente inferior ao praticado em calhas lisas. Aeradores promovem a inserção de ar no escoamento e podem viabilizar o incremento das vazões específicas. Este trabalho analisa as pressões sobre as faces verticais dos degraus e o coeficiente de entrada de ar no escoamento, através de estudo experimental em modelo físico de calha em degraus com ângulo de 53,13o, considerando a instalação de aerador em diferentes posições na calha. Comparando-se os resultados com a aeração natural, conclui-se que a instalação do aerador não altera a magnitude das pressões extremas mínimas na estrutura, mas antecipa o início da aeração no escoamento. Propõe-se nova equação para estimativa do coeficiente de entrada de ar no escoamento, bem como metodologia para previsão de pressões extremas nas faces verticais dos degraus, válidas no intervalo 3,0 ≤ Fr ≤ 6,0.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The possibility of damage due to the phenomenon of cavitation leads the design of stepped spillways considering maximum specific discharges of 15 to 30 m2/s, a limit considerably lower than that practiced on smooth chutes. Aerators promote the insertion of air in the flow, allowing for the increase of specific flow rates. This work analyzes the pressures on the vertical faces of the steps and the air entrainment coefficient in the flow, through an experimental study in a physical model with a stepped chute angle of 53.13o, considering the installation of aerators in different places of the channel. Comparing the tested conditions with the natural aeration, it is concluded that the installation of the aerator does not change the magnitude of the minimum extreme hydrodynamic pressures, but anticipates the beginning of the flow aeration. A new equation is proposed to estimate the air entrainment coefficient, as well as a methodology for forecasting extreme pressures on the vertical faces of the steps, both valid in the range 3.0 ≤ Fr ≤ 6.0.
  • On the discretization of river networks for large scale hydrologic-hydrodynamic models Scientific/technical Article

    Fan, Fernando Mainardi; Siqueira, Vinícius Alencar; Fleischmann, Ayan Santos; Brêda, João Paulo Fialho; Paiva, Rodrigo Cauduro Dias de; Pontes, Paulo Rógenes Monteiro; Collischonn, Walter

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A discretização da rede fluvial é uma etapa crítica para o cálculo da propagação de vazões em modelos hidrológicos. No entanto, quando se trata de modelagem hidrológico-hidrodinâmica mais complexa, adaptações na representação espacial das unidades de cálculo do modelo são necessárias para permitir simulações eficientes, especialmente para aplicações em grande escala. O objetivo deste artigo foi avaliar os impactos da discretização dos rios nas vazões simuladas, níveis de água e estabilidade numérica de um modelo hidrológico-hidrodinâmico baseado em divisões por sub-bacias, usando um método de segmentação de comprimento do rio (Δx) fixo. O estudo de caso foi a bacia do rio Purus, um afluente do rio Amazonas, que abrange uma área que conta desde regiões de respostas rápidas a montante até rios de várzea a jusante. Os resultados indicam que as descargas máximas e mínimas são menos afetadas pelo Δx adotado, enquanto os níveis de água são mais influenciados por essa seleção. Mostra-se que, para a propagação unidimensional inercial local usando um modelo explícito, o Δx e o alfa da condição CFL (Courant-Friedrichs-Lewy) devem ser cuidadosamente escolhidos para evitar erros de balanço de massa. Além disso, um limitador de fluxo baseado em número Froude simples é proposto e testado.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The discretization of river networks is a critical step for computing flow routing in hydrological models. However, when it comes to more complex hydrologic-hydrodynamic models, adaptations in the spatial representation of model calculation units are further required to allow cost-effective simulations, especially for large scale applications. The objective of this paper is to assess the impacts of river discretization on simulated discharge, water levels and numerical stability of a catchment-based hydrologic-hydrodynamic model, using a fixed river length (Δx) segmentation method. The case study was the Purus river basin, a sub-basin of the Amazon, which covers an area that accounts for rapid response upstream reaches to downstream floodplain rivers. Results indicate that the maximum and minimum discharges are less affected by the adopted Δx (reach-length), whereas water levels are more influenced by this selection. It is showed that for the explicit local inertial one-dimensional routing, Δx and the α parameter of CFL (Courant-Friedrichs-Lewy) condition must be carefully chosen to avoid mass balance errors. Additionally, a simple Froude number-based flow limiter to avoid numerical issues is proposed and tested.
  • Dam-Break analysis: proposal of a simplified approach Scientific/technical Article

    Rossi, Carlo Lucca Coutinho Ungaretti; Marques, Marcelo Giulian; Teixeira, Eder Daniel; Melo, José Falcão de; Ferla, Rute; Prá, Maurício Dai

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Métodos simplificados são alternativas úteis para análise prévia dos efeitos da ruptura de barragens, podendo orientar a tomada de decisão da realização de estudos mais completos. Nesse contexto, propõe-se uma nova abordagem simplificada para análise de aspectos da ruptura de barragens de terra, cuja falha ocorre por galgamento, a partir da altura da barragem e do volume do reservatório como dados de entrada. Casos hipotéticos de ruptura foram analisados por meio de simulações hidrodinâmicas, cujos resultados permitiram desenvolver equações capazes de estimar o amortecimento da vazão de pico e o tempo de chegada da vazão máxima no vale a jusante. A abordagem proposta foi aplicada em estudo de caso hipotético (em uma barragem com 15 m de altura e 17 hm3 de volume no reservatório), obtendo-se resultados próximos dos alcançados por meio de outros metodos, especialmente na estimativa da vazão máxima no vale a jusante, onde as diferenças médias entre os resultados dos métodos considerados foram da ordem de 15%.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Simplified methods are useful alternatives for prior analysis of the effects of dam rupture and can guide the decision-making process for carrying out more complete studies. In this context, a new simplified approach is presented, which enables the analysis of aspects from dam rupture of earthen dams that failed due to overtopping, considering dam height and reservoir volume as input data. Hypothetical cases were analyzed applying dam-break hydrodynamic simulations, which results allowed the development of equations capable of estimating peak flow attenuation and peak discharge arrival time along the downstream valley. The proposed approach was applied in a hypothetical case study (15 m high dam and 17 hm3 reservoir volume), obtaining results close to those achieved through other methods, especially in case of estimating the maximum discharges throughout the downstream valley, where the average differences between the results of the methods were of the order of 15%.
  • Experiments on initial stages of development of dam-break waves Scientific/technical Article

    Espartel, Lélis; Manica, Rafael

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os estágios iniciais da onda oriunda da ruptura instantânea de uma barragem são avaliados espacial e temporalmente, através de 36 experimentos físicos. Diferentes condições foram testadas, variando as profundidades de água a jusante (J), a montante (M) e sua proporção (r). Dois parâmetros adimensionais são propostos – altura efetiva (HEF) e velocidade efetiva (VEF) – para avaliar a altura da lâmina d’água e os picos de velocidade ao longo do desenvolvimento da onda de ruptura de barragem. A altura máxima da onda é estimada em função de r, enquanto HEF está inversamente relacionada a r. O pico máximo de VEF é registrado para r entre 0,1 e 0,2, considerada uma situação crítica para barragens reais. A presença de água a jusante também modifica o formato da onda e os tipos de quebra dessa onda. As classificações publicadas anteriormente da onda em movimento, com base nessas características, são expandidas com um primeiro r testado (r = 0,8) para o qual nenhum jato foi identificado (movimento ondulado).

    Abstract in English:

    ABSTRACT The initial stages of instantaneous dam-break waves are here evaluated spatially and temporally through 36 physical experiments. Different conditions were tested for downstream (J) and upstream (M) water depths and their ratios (r) to approach realistic conditions for prototype dams. Two non-dimensional parameters are proposed – effective height (HEF) and effective velocity (VEF) – to evaluate water depths and velocity peaks along the dam-break wave evolution. The maximum wave height is estimated as a function of r, whereas the HEF is inversely related to r. The maximum VEF peak is registered for r between 0.1 and 0.2, considered a critical description for real dams. The presence of downstream water depth also modifies the dam-break wave frontal shape and types of wave break features. Previously published classifications of the moving wave based on those features are now expanded with a first tested r = 0.8 in which no jet was identified (undulated movement).
  • Precision and accuracy of streamflow measurements in headwater streams during baseflow Scientific/technical Article

    Santos, Camyla Innocente dos; Chaffe, Pedro Luiz Borges; Perez, Alondra Beatriz Alvarez; Arienti, Pedro Ferreira; Sá, João Henrique Macedo

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A quantificação do escoamento de base é fundamental para a gestão dos recursos hídricos. No entanto, existem poucos estudos sobre a precisão e acurácia de medições de baixas vazões. Neste artigo, analisamos sistematicamente a precisão e a acurácia das medições de vazão feitas com o método de diluição em rios de cabeceira durante o escoamento de base. A precisão se refere à variabilidade dos valores das medições repetidas e a acurácia é o quanto o valor medido se aproxima de um valor de referência. Medimos a vazão em 31 diferentes seções transversais com bacias variando de 0,02 a 5,33 km2. As medições de vazão feitas utilizando o molinete foram adotadas como referência para estimativa da acurácia. Um erro de precisão de ± 5,0% foi encontrado para as medições. Os erros percentuais em relação a vazão de referência variaram de 0,7 a 45,6%, com mediana de 6,1%. Precisão e acurácia estão na mesma ordem de magnitude encontrada na literatura para vazões maiores. Esses resultados podem ser usados para restringir a incerteza das medições de vazão e na modelagem chuva-vazão em cabeceiras.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The quantification of baseflow is key for water resources management. However, there are few reports on the precision and accuracy in low streamflow measurements. In this paper, we systematically analyze the precision and accuracy of dilution streamflow measurements in headwater channels during baseflow. Precision refers to the variability of the values for repeated measurements and accuracy is how much the measured value approximates the reference one. We measured streamflow in 31 different cross-sections with contributing areas ranging from 0.02 to 5.33 km2. Streamflow measurements with the current meter were adopted as reference for accuracy estimation. A precision error of ±5.0% was found for the measurements. The percent errors compared to reference streamflow ranged from 0.7 to 45.6%, with a median of 6.1%. Precision and accuracy are in the same order of magnitude found in the literature for larger streams. These results can be used for constraining the uncertainty of streamflow measurements and rainfall-runoff modeling of headwater streams.
  • Hybrid particle swarm optimization and tabu search for the design of large-scale water distribution networks Scientific/technical Article

    Macêdo, José Eloim Silva de; Azevedo, José Roberto Gonçalves de; Bezerra, Saulo de Tarso Marques

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O dimensionamento ótimo de redes de distribuição de água (RDA) tem recebido atenção especial de projetistas e pesquisadores devido, principalmente, aos elevados custos de implantação, operação e manutenção. No entanto, a baixa eficiência computacional da maioria dos algoritmos dificulta a aplicação desses em RDA de grande porte. Diante disto, este artigo apresenta um algoritmo híbrido (H-PSOTS) baseado nos métodos particle swarm optimization (PSO) e tabu search (TS) para o projeto de RDA. Incorporar a TS, como um procedimento de melhoria da busca local, permite que o algoritmo H-PSOTS evite ótimos locais e apresente um desempenho satisfatório. O PSO padrão e o H-PSOTS foram aplicados a três redes de referência propostas na literatura: Balerma irrigation network, ZJ network e Rural network. O algoritmo híbrido obteve bons resultados na busca pela solução ótima e alto desempenho computacional, tornando-se uma nova opção para o projeto ótimo de redes de distribuição de água reais.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Water distribution network (WDN) optimization has received special attention from various technicians and researchers, mainly due to its high costs of implementation, operation and maintenance. However, the low computational efficiency of most developed algorithms makes them difficult to apply in large-scale WDN design problems. This article presents a hybrid particle swarm optimization and tabu search (H-PSOTS) algorithm for WDN design. Incorporating tabu search (TS) as a local improvement procedure enables the H-PSOTS algorithm to avoid local optima and show satisfactory performance. Pure particle swarm optimization (PSO) and H-PSOTS algorithms were applied to three benchmark networks proposed in the literature: the Balerma irrigation network, the ZJ network and the Rural network. The hybrid methodology obtained good results when seeking an optimal solution and revealed high computational performance, making it a new option for the optimal design of real water distribution networks.
  • Feasibility study on operational use of neural networks in a flash flood early warning system Scientific/technical Article

    Lima, Glauston Roberto Teixeira de; Scofield, Graziela Balda

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Emitir alertas antecipados e precisos para enxurradas é desafiador quando as chuvas que deflagram esses desastres naturais ocorrem em escala espaço-temporal muito curta. Este artigo relata um estudo de caso no qual um modelo hidrológico baseado em rede neural é projetado para predizer com uma hora de antecedência se o nível de água em uma pequena bacia de montanha com curto tempo de ascensão, situada na cidade de Campos do Jordão no Brasil, excederá sua cota de atenção. O modelo pode aperfeiçoar um sistema de alertas antecipados de enxurradas, pois semiautomatiza a tomada de decisão e melhora o compromisso entre antecedência e precisão dos alertas. Uma rede neural de aprendizado profundo usando funções de ativação do tipo Unidade Linear Exponencial foi projetada com base em dados observados de precipitação e nível de água de 11 estações hidrometeorológicas do Centro Nacional de Monitoramento e Alerta de Desastres Naturais abrangendo um período de 3 anos No treinamento da rede neural, duas combinações das variáveis de entrada foram testadas. As tuplas do conjunto de teste foram classificadas através de votação com 60 classificadores. Resultados preliminares, obtidos em ambiente Matlab, com alto percentual de verdadeiros positivos, indicam que o uso operacional do modelo é viável.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Issuing early and accurate warnings for flash floods is a challenge when the rains that deflagrate these natural hazards occur on very short space-time scales. This article reports a case study in which a neural network-based hydrological model is designed to forecast one hour in advance if the water level in a small mountain watershed with short time to peak, situated in the city of Campos do Jordão in Brazil, will exceed its attention quota. This model can be a powerful auxiliary tool in a flash flood early warning system, since with it decision-making becomes semi-automated, making it possible to improve the warnings advance-accuracy tradeoff. A deep-learning neural network using Exponential Linear Unit activation functions was designed based on 3-years rainfall and water level data from 11 hydrometeorological stations of the National Centre for Monitoring and Early Warning of Natural Disasters. In the training of the neural network, two combinations of input variables were tested. The tuples in the test set were classified through voting with 60 classifiers. The first results obtained in Matlab environment with high percentages of true positives indicate that it is feasible to use the neural model operationally.
  • Effects of return periods on flood hazard mapping: an analysis of the UFSC Campus Basin, Florianópolis city, Brazil Scientific/technical Article

    Monteiro, Leonardo Romero; Santos, Camyla Innocente dos; Kobiyama, Masato; Corseuil, Cláudia Weber; Chaffe, Pedro Luiz Borges

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O desenvolvimento de áreas urbanas intensifica o risco de inundação pelo acréscimo tanto do escoamento superficial quanto da exposição da população e infraestrutura. Neste trabalho, nós evidenciamos a importância da escolha do período de retorno para determinar o grau de perigo de inundação e suas características hidráulicas. A bacia do campus da UFSC foi utilizada para o teste, onde combinamos modelos hidrológicos e hidráulicos para definir a intensidade e grau de perigo de inundação. Seis mapas de intensidade de perigo foram elaborados a partir de diferentes períodos de retorno (2, 10, 25, 50, 100 e 500 anos), que foram usados ​​para caracterizar cenários de baixa recorrência e alta recorrência. O mapa de baixa recorrência pode ser ideal para ver os efeitos nas construções enquanto o mapa de alta recorrência ajuda a identificar a segurança das pessoas. Observou-se que uma linha de tendência logarítmica se encaixa bem para todas as variáveis ​​verificadas relacionadas a inundação (e.g. intensidade da chuva, velocidade média de inundação, área total de inundação). Este estudo é importante para compreender as diferenças entre os efeitos no mapeamento de perigo de inundação aos períodos de retorno e como podem influenciar as variáveis ​​hidráulicas de inundação.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The development of urban areas exacerbates flood risk by increasing both runoff and the exposure of population and infrastructure. In this study, we highlight the importance of return period choice on flood hazard degree and flood hydraulics characteristics. We use the UFSC campus basin as a test bed and combine a hydrological and a hydrodynamic model to define the flood hazard intensity and flood hazard degree. Six hazard intensity maps were elaborated using different return periods (2, 10, 25, 50, 100 and 500-years) that characterize low and high recurrence scenarios. The low recurrence hazard map can be ideal to verify hazard effects on buildings, while the high recurrence hazard map helps to identify people security. All variables related to the rainfall effect and its consequences (e.g. rainfall intensity, flood mean velocity, and total flood area) follow a logarithmic relationship, with a small variation for higher return periods. We highlight how different return periods can influence flood hydraulics and flood hazard and should therefore be considered in flood hazard mapping.
  • Influence of aeration induced by piers on the starting position of the flow aeration and extreme pressures in stepped spillways Scientific/technical Article

    Priebe, Priscila dos Santos; Ferla, Rute; Novakoski, Carolina Kuhn; Abreu, Aline Saupe; Teixeira, Eder Daniel; Prá, Mauricio Dai; Marques, Marcelo Giulian

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Vertedouros em degraus têm sua operação limitada a faixas de vazões devido ao risco de ocorrência do fenômeno de cavitação e erosão em seus degraus. Como há demanda por vertedouros com possibilidade de extravasamento de maiores vazões, procura-se aumentar a concentração de ar do escoamento, que pode ocorrer através da instalação de pilares no vertedouro, para assim proteger a estrutura contra os referidos danos. O objetivo deste trabalho é avaliar as características do escoamento e as pressões extremas mínimas e máximas com probabilidade de 0,1% e 99,9% de não-excedência, atuantes nas quinas dos degraus do vertedouro com aeração induzida por pilares, através da análise experimental em um modelo físico. Baseado nos resultados obtidos foi definido o comportamento do escoamento e foram propostas equações de previsão das pressões extremas que ocorrem ao longo do vertedouro em degraus com aeração induzida por pilares.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The operation of stepped spillways is limited by a range of discharges due to the risk of occurrence of the cavitation phenomenon and erosion on its steps. Since there is a demand for spillways with the possibility of overflow of greater discharges, the designs seek to increase the air concentration of the flow, which can occur through the installation of piers in the spillway in order to protect the structure from the above mentioned damage. The aim of this work is to analyze flow characteristics and extreme minimum and maximum pressures with non-exceedance probability of 0.1% and 99.9% acting next to the step edges of the spillway with aeration induced by piers through an experimental analysis in a physical model. Based on the results obtained, flow behavior was defined and equations for predicting the extreme pressures that occur along the stepped spillway with aeration induced by piers were proposed.
  • Modeling coordinated operation of multiple hydropower reservoirs at a continental scale using artificial neural network: the case of Brazilian hydropower system Scientific/technical Article

    Brêda, João Paulo Lyra Fialho; Paiva, Rodrigo Cauduro Dias de; Pedrollo, Olavo Corrêa; Passaia, Otávio Augusto; Collischonn, Walter

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Reservatórios afetam consideravelmente a vazão dos rios e por isso precisam ser adequadamente representados em estudos de impactos ambientais. Simular defluência de reservatórios representa um desafio para estudos hidrológicos já que sua operação depende do risco de inundações e aspectos econômicos e de demanda. O Sistema Interligado Nacional (SIN) é um exemplo de um sistema único e complexo de operação coordenada composto por mais de 160 grandes reservatórios. Então foi proposto e avaliado uma abordagem integrada para simular defluências diárias da maioria dos reservatórios do SIN (138) usando um modelo de Redes Neurais Artificiais (RNA), distinguindo reservatórios de armazenamento e a fio d’água e testando casos em que defluência e nível estavam disponíveis ou não como dados de entrada. Além disso, foi investigada a relação entre as variáveis de entrada propostas (14) e a defluência simulada, sendo as variáveis relativas ao balanço hídrico do reservatório, sazonalidade e demanda indireta. Como resultado, foi verificado que as saídas do modelo de RNA foram principalmente influenciadas pelas variáveis locais de balanço hídrico, como a afluência do mesmo dia e a defluência do dia anterior. No entanto, outras variáveis como o nível de 4 grandes reservatórios representativos de diferentes regiões do país (que infere sobre à demanda pela disponibilidade de água para geração de energia) aparentemente teve uma influência considerável nas saídas do modelo. Esse resultado aponta para vantagens em se usar uma abordagem integrada ao invés de olhar cada reservatório isoladamente. Em termos de disponibilidade de dados, foram testados cenários com (WITH_Qout) e sem (NO_Qout and SIM_Qout) defluência e níveis observados como variáveis de entrada do modelo de RNA. Esses 3 modelos de RNA foram comparados com dois benchmarks simples: a defluência é igual a defluência do dia anterior (STEADY) e a defluência é igual a afluência do mesmo dia (INFLOW). Em reservatórios de armazenamento, as estimativas dos modelos atingiram uma mediana do coeficiente de Nash-Suthcliffe (NSE) de 0.91, 0.77 e 0.68 para os modelos WITH_, NO_ e SIM_Qout respectivamente, comparado com uma mediana do NSE de 0.81 e 0.29 para o STEADY e INFLOW respectivamente. Concluindo, os modelos RNA apresentaram performances satisfatórias: quando dados de defluências dos dias anteriores estão disponíveis, WITH_Qout é superior ao STEADY; caso contrário, NO_Qout e SIM_Qout são superiores ao INFLOW.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Reservoirs considerably affect river streamflow and need to be accurately represented in environmental impact studies. Modeling reservoir outflow represents a challenge to hydrological studies since reservoir operations vary with flood risk, economic and demand aspects. The Brazilian Interconnected Energy System (SIN) is an example of a unique and complex system of coordinated operation composed by more than 160 large reservoirs. We proposed and evaluated an integrated approach to simulate daily outflows from most of the SIN reservoirs (138) using an Artificial Neural Network (ANN) model, distinguishing run-of-the-river and storage reservoirs and testing cases whether outflow and level data were available as input. Also, we investigated the influence of the proposed input features (14) on the simulated outflow, related to reservoir water balance, seasonality, and demand. As a result, we verified that the outputs of the ANN model were mainly influenced by local water balance variables, such as the reservoir inflow of the present day and outflow of the day before. However, other features such as the water level of 4 large reservoirs that represent different regions of the country, which infers about hydropower demand through water availability, seemed to influence to some extent reservoirs outflow estimates. This result indicates advantages in using an integrated approach rather than looking at each reservoir individually. In terms of data availability, it was tested scenarios with (WITH_Qout) and without (NO_Qout and SIM_Qout) observed outflow and water level as input features to the ANN model. The NO_Qout model is trained without outflow and water level while the SIM_Qout model is trained with all input features, but it is fed with simulated outflows and water levels rather than observations. These 3 ANN models were compared with two simple benchmarks: outflow is equal to the outflow of the day before (STEADY) and the outflow is equal to the inflow of the same day (INFLOW). For run-of-the-river reservoirs, an ANN model is not necessary as outflow is virtually equal to inflow. For storage reservoirs, the ANN estimates reached median Nash-Sutcliffe efficiencies (NSE) of 0.91, 0.77 and 0.68 for WITH_, NO_ and SIM_Qout respectively, compared to a median NSE of 0.81 and 0.29 for the STEADY and INFLOW benchmarks respectively. In conclusion, the ANN models presented satisfactory performances: when outflow observations are available, WITH_Qout model outperforms STEADY; otherwise, NO_Qout and SIM_Qout models outperform INFLOW.
  • Water governance assessment at different scales: a reservoir case study in the Brazilian semiarid region Scientific/technical Article

    Bezerra, Aline Pessoa; Vieira, Zédna Mara de Castro Lucena; Ribeiro, Márcia Maria Rios

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Esse artigo visa a analisar a aplicação dos Princípios da governança da água da OCDE no semiárido brasileiro. De 2012 a 2017, a bacia do rio Paraíba (macroescala), e seu reservatório Epitácio Pessoa (microescala), foram atingidos por uma forte e prolongada estiagem. O reservatório chegou próximo ao colapso em 2017, gerando conflitos pelo uso da água, destacando assim a má gestão de água. Foram considerados quatro critérios de avaliação: alinhamento da política aos princípios da OCDE, sua implementação, efetividade e impactos da política. Os resultados indicam as fragilidades da Política Nacional de Recursos Hídricos, mesmo após 24 anos de implementação, e a necessidade de melhorias na integração das escalas de gestão: Nacional, Estadual e bacia hidrográfica. Considerando uma escala menor (uma bacia hidrográfica e seu reservatório principal) foi possível observar falhas na governança hídrica que levaram à uma crise hídrica em função da agência nacional não ter executado, na escala local, suas melhores práticas.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This article analyses the application of OECD water governance principles to the semiarid region of Brazil. Between 2012 and 2017, the Paraíba River basin (macroscale) and its Epitácio Pessoa reservoir – EPR (microscale) suffered a severe drought. The reservoir came close to collapse in 2017, which led to water use conflicts that were aggravated due to water mismanagement. Four evaluation criteria were considered: policy alignment to the OECD principles, its implementation, on-ground results, and policy impacts. The outcomes indicate water management fragilities, even after 24 years of the Brazilian National Water Resources Policy enactment, and the need for a better water management integration at different scales: National, State, and River Basin. By considering a smaller scale (a basin and its main reservoir), it was possible to observe water governance failures that lead to water crises since the best practices performed by the national agency, at the national scale, have not been verified at the local scale.
  • Imazapic interaction and mobility in soil cultivated with sugarcane in northeast Brazil Scientific/technical Article

    Assis, Fernando Xavier de; Maciel Netto, André; Xavier, Bruno Toríbio de Lima; Lima, Valmir Felix de; Silva, João Paulo Siqueira da

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Na plantação de cana-de-açúcar, o Imazapic tem sido usado em pré ou pós-emergência, isoladamente ou em combinação com outros herbicidas. Quando aplicado ao solo em pré-emergência, o Imazapic pode sofrer os processos de sorção, lixiviação e/ou degradação por efeitos físicos, químicos e biológicos, além de ser absorvido por plantas daninhas. O objetivo deste trabalho foi avaliar a interação e mobilidade do herbicida Imazapic no solo onde foram utilizadas colunas de solo com um Argissolo Amarelo distrófico (YUd) e um Latossolo Vermelho-Amarelo distrófico (RYOd) do Nordeste do Brasil. O maior potencial de adsorção do RYOd está associado ao maior teor de argila, maiores concentrações de Fed e Feo e pH ácido do solo. O modelo CDE - 2 de dois sítios de sorção representou adequadamente os dados experimentais das curvas de eluição do Imazapic para os solos RYOd e YUd. A partir dos coeficientes de partição Kd para RYOd e YUd, altos valores do índice GUS (5,94 e 7,04, respectivamente) foram calculados, confirmando o alto potencial de lixiviação da molécula Imazapic nesses solos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In the plantation of sugarcane, Imazapic has used pre- or post-emergence, alone or in combination with other herbicides. When applied to the soil in pre-emergence, Imazapic can undergo the sorption, leaching and/or degradation processes due to physical, chemical and biological effects, besides being absorbed by weeds. The objective of this work was to evaluate the interaction and mobility of the Imazapic herbicide in the soil where the soil columns with a dystrophic Yellow Ultisol (YUd) and a dystrophic Red-Yellow Oxisol (RYOd) from northeastern Brazil were used. The higher adsorption potential of the RYOd is associated with higher clay content, higher Fed and Feo concentrations, and soil acidic pH. The CDE – 2 sorption sites model adequately represented the experimental data from the Imazapic breakthrough curves to the RYOd and YUd soils. From the Kd partition coefficients for RYOd and YUd, high values of the GUS index (5.94 and 7.04, respectively) were calculated, confirming the high leaching potential of the Imazapic molecule in these soils.
  • Thermal functioning of a tropical reservoir assessed through three-dimensional modelling and high-frequency monitoring Scientific/technical Article

    Plec, Denis Furstenau; Silva, Talita Fernanda das Graças; Vinçon-Leite, Brigitte; Nascimento, Nilo

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Lagos e reservatórios urbanos fornecem importantes serviços ecossistêmicos. Porém, a qualidade da água está sendo afetada por diversas pressões antrópicas. O regime térmico é de particular importância no transporte vertical de nutrientes, fitoplâncton e oxigênio. A estratificação térmica dos reservatórios pode modificar processos biogeoquímicos. Nesse artigo, um modelo hidrodinâmico tridimensional foi implementado e validado com medição de temperatura da água em alta frequência. Os resultados das simulações ficaram de acordo com os dados medidos. Para todos os períodos simulados, o desempenho do modelo foi avaliado com base em valores horários, apresentando raiz quadrada do erro quadrático médio de 0,65 ºC e erro relativo de 2,08%. Os resultados mostram que as medições de alta frequência associada ao modelo tridimensional ajudaram a compreender e identificar as causas das alterações na condição térmica de um lago urbano raso. O impacto de uma vazão afluente na temperatura do reservatório foi evidenciado, mostrando que durante eventos de grandes vazões, quando a temperatura do rio é mais fria que a temperatura do lago, ocorre o escoamento desta vazão pelas camadas mais profundas. A vazão afluente mergulha para camadas mais profundas onde a morfologia do lago se altera. O modelo mostrou um impacto por todo o lago, mostrando assim a importância de monitorar a temperatura da água afluente. Essa ferramenta numérica poderá ser futuramente utilizada para estudos sobre padrões específicos hidrodinâmicos do reservatório.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Urban lakes and reservoirs provide important ecosystem services. However, their water quality is being affected by anthropogenic pressures. The thermal regime is a strong driver of the vertical transport of nutrients, phytoplankton and oxygen. Thermal stratification can modify biogeochemical processes. In this paper, a three-dimensional hydrodynamic model was implemented and validated with high-frequency measurement of water temperature. The simulation results were in agreement with the measurements. For all simulation period, the model performance was evaluated based on hourly values, presenting a maximum RMSE of 0.65 ºC and Relative Error of 2.08%. The results show that high-frequency measurement associated with a three-dimensional model could help to understand and identify the reasons for the changes in the thermal condition of a shallow urban lake. The impact of the stream inflow on the temperature was highlighted, showing that during higher discharge events, when the river temperature is colder than the lake water, it flows into the lake deeper layers. The inflow water sank to the deeper layers where the lake morphology changes. The model showed an impact along the entire lake, showing the importance of monitoring the inflow water temperature. This modelling tool could be further used to study specific patterns of reservoir hydrodynamics.
  • Effect of spatial and temporal variability of gauged and radar rainfall data on hydrological modelingof urban basins Scientific/technical Article

    Pontes, Victor Costa; Fragoso Jr., Carlos Ruberto; Neves, Marllus Gustavo Ferreira Passos das; Souza, Vladimir Caramori Borges de

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Nos sistemas de drenagem urbana, as incertezas no cálculo das vazões são grandes, em função da dificuldade na representação da distribuição espacial dos eventos chuvosos. Nesse contexto, o presente trabalho visa avaliar como diferentes informações da espacialização da chuva (radar meteorológico, rede pluviométrica distribuída) e diferentes discretizações espaciais influenciam na estimativa do escoamento superficial. A bacia do Riacho Reginaldo em Maceió/Alagoas é usada como área de estudos, por haver disponibilidade de dados de radar e de uma densa rede de pluviômetros. A área de estudo está totalmente inserida na zona urbana da cidade de Maceió e possui um histórico de alagamentos constantes. O EPA Storm Water Management Model (SWMM) foi utilizado com 3 cenários de análise: (i) com chuva concentrada, considerando a chuva média medida, (ii) chuvas distribuídas por sub-bacias e (iii) distribuído por células do radar. Para avaliar os resultados gerados pelo modelo, foram estipuladas 4 variáveis: (i) a vazão de pico; (ii) o tempo de pico; (iii) o volume escoado e (iv) as perdas. Com base nesse critério, ficou claro que, para os eventos analisados, a distribuição da chuva aplicada a pequenas bacias urbanas com altas taxas de impermeabilização apresenta pouca divergência quanto à discretização da chuva e que o radar apresentou leituras significantemente maiores que as leituras observadas pelos pluviômetros.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In urban areas, rainfall-runoff modeling provides large uncertainties due to the difficulty in representing the spatial distribution of rainfall events. In this context, the this work aims to evaluate the effect of temporal and spatial of rainfall data (weather radar and distributed rainfall gauges network) on runoff estimation in a urban basin. The Reginaldo basin, inserted in the urban area of the Maceió city, capital of state of Alagoas (Brazil), has a reasonable availability of rainfall datal covered with a high number and spatial distribution of rain gauges and weather radar, which was used as input of a hydrological model The EPA Storm Water Management Model (SWMM) has been used with 3 analysis rainfall scenarios: (i) considering uniform rainfall distribution based on measured average rainfall, (ii) considering distributed rainfall using catchment discretization, and (iii) considering distributed rainfall using radar cell discretization. In order to evaluate the model outcomes, we analyzed four hydrological output variables: (i) the peak flow; (ii) the peak time; (iii) the volume flowed and (iv) the volume losses. Based on this criterion, it was clear that, considering he analyzed scenarios, the effect of spatial distribution of rainfall data on hydrological response in small urban basins, with high impervious coverage, was not divergent for the analyzed scenarios and that the radar data showed significantly higher data resolution than rainfall gauges.
  • Comparison of sediment rating curves and sediment yield in subbasins of the Itacaiúnas River Watershed, Eastern Amazon Scientific/technical Article

    Silva, Marcio Sousa da; Cavalcante, Rosane Lopes; Souza Filho, Pedro Walfir Martins e; Silva Júnior, Renato Oliveira da; Pontes, Paulo Rógenes; Dallagnol, Roberto; Rocha, Edson José Paulino da

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Compreender a dinâmica hidrossedimentológica dos rios tropicais é um desafio, principalmente na Amazônia, devido às suas áreas remotas e de difícil acesso. Este estudo foi baseado em dados coletados em 16 seções hidrossedimentológicas de controle distribuídas nas 6 sub-bacias que compõem a bacia hidrográfica do Rio Itacaiúnas (BHRI), com 4 campanhas anuais (enchente, cheia, vazante e seca) entre 2015 e 2019, objetivando a construção e comparação da curva-chave de sedimentos e produção de sedimentos. Os dados na foz da bacia revelaram que o período chuvoso é responsável por 93% das descargas líquidas com médias de 1460,88 m3/s e por 98% das descargas de sedimentos em suspensão com média de 5864,15 ton/dia. As Concentrações de sedimentos em suspensão (CSSs) são baixas a moderadas (50 a 150 mg/l). As análises das curvas obtidas com todos os dados apresentaram R2 (0,92 a 0,99) maiores do que utilizando apenas os valores da estação chuvosa ou seca, mostrando um bom ajuste da equação de potência aos dados QSS e Q para todas as seções estudadas. Os maiores valores do coeficiente a e b indicam áreas de maior produção de sedimentos e desmatamento e áreas com novas fontes de sedimentos e floresta preservada.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Understanding the hydrosedimentological dynamics of tropical rivers is a challenge in the Amazon due to its remote and difficult-to-access areas. This study was based on data collected from 16 hydrosedimentological control sections in the 6 subbasins that make up the Itacaiúnas River Watershed (IRW), with 4 annual campaigns (high water levels, rising water levels, falling water levels, low water levels) between 2015 and 2019, with the aim of constructing and comparing sediment rating curves and sediment yield. The data at the mouth of the IRW revealed that the rainy season is responsible for 93% of liquid discharges (Q) with an average of 1460.88 m3/s and for 98% of suspended sediment discharges (SSQ) with an average of 5864.15 tons/day. Suspended sediment concentrations (SSCs) are low to moderate (50 to 150 mg/l). The curves encompassing all the data showed R2 values (0.92 to 0.99) greater than the curves with only the values of the rainy or dry season, indicating a good fit of the power equation to the SSQ and Q data for all sections studied. Higher values of coefficients a and b show areas of greater sediment production and deforestation, as well as areas with new sources of sediment and preserved forest.
  • Development of reservoir operation rules using seasonal climate forecasts Scientific/technical Article

    Morais, Andressa Adna Cavalcante; Maia, Adelena Gonçalves

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Esta pesquisa verificou a adequabilidade do uso das previsões de precipitação na definição de uma regra de operação do reservatório Cruzeta (RN). As regras de operação foram definidas a partir da simulação e otimização, via algoritmo genético, da operação do reservatório. Os indicadores de desempenho foram analisados segundo cinco cenários de operação: política de operação padrão (SOP), regra atual de racionamento (C), racionamento sem previsões (R), racionamento com previsão (RF) e racionamento com previsão perfeita (RPF). O cenário SOP foi o que melhor atendeu a demanda total, mas tornou o sistema muito susceptível ao colapso no abastecimento. Os resultados do RF e RPF mostraram uma melhor conformidade no atendimento das demandas prioritárias e da demanda total nos períodos secos. Mudando o cenário de RF para RPF houve uma pequena melhoria nos índices de avaliação. O uso de regras integrando a previsão do tempo sazonal é, portanto, recomendado.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This study verified the suitability of using precipitation forecasts in defining operation rules for the Cruzeta reservoir in Rio Grande do Norte, Brazil. The operation rules were developed through reservoir operation simulation–optimization, using a genetic algorithm. The performance indicators were analyzed in five operation scenarios: standard operating policy (SOP), current reservoir rationing rule (C), rationing without forecast (R), rationing with forecast (RF), and rationing with perfect forecast (RPF). The SOP scenario better met the total demand but made the system very susceptible to supply collapse. The results of the RF and RPF scenarios showed better compliance with the priority demands and the total demand during the dry periods. Changing from RF to RPF scenario, there is a small improvement in the evaluation indexes. The use of rules integrating the seasonal weather forecast is thus recommended.
  • Satellite altimetry over small reservoirs in the Brazilian semiarid region Scientific/technical Article

    Ribeiro, Alfredo; Behnia, Sajedeh; Tourian, Mohammad J.; Costa, Fábio Araújo da; Sneeuw, Nico

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O Nordeste do Brasil é uma das regiões semiáridas mais populosas no mundo. A região é altamente dependente de reservatórios para abastecimento humano de água, irrigação, indústria e pecuária. O objetivo deste estudo foi validar séries temporais de níveis de água dos satélites Envisat, SARAL, Sentinel-3A/-3B, Jason-2/-3 em pequenos reservatórios no Nordeste do Brasil. No total, foram avaliadas as séries temporais de nível da água de 20 reservatórios. O Sentinel-3B superou os outros altímetros com um RMSE máximo de 0,21 m. Em sete reservatórios com curva cota-área-volume atualizadas, o nível de água dos satélites foi utilizado para calcular o volume correspondente. O volume obtido foi então comparado ao volume dado pela mesma curva usando nível medido. Os resultados mostraram que, no caso de pequenos reservatórios, a precisão das séries temporais de nível da água derivadas da altimetria de satélite é governada principalmente pela variabilidade sazonal do armazenamento especialmente no final do período de seca 2012-2017.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Northeast Brazil is one of the most populated semiarid regions in the world. The region is highly dependent on reservoirs for human water supply, irrigation, industry, and livestock. The objective of this study was to validate water level time series from the satellites Envisat, SARAL, Sentinel-3A/-3B, Jason-2/-3 in small reservoirs in Northeast Brazil. In total, we evaluated the water level time series of 20 reservoirs. The Sentinel-3B outperforms the other altimeters with a maximum RMSE of 0.21 m. In seven reservoirs with updated depth-area-volume curves, the altimetric water level was used to calculate the corresponding volume. The obtained volume was then compared to the volume given by the same curve by using in situ stage. Our investigations showed that, in the case of small reservoirs, the precision of water level time series derived from satellite altimetry is mainly governed by the seasonal variability of the water storage especially at the end of the 2012-2017 drought period.
  • Hydrogeochemical characterization of reservoir waters undergoing salinization processes in Northeastern Brazil Scientific/technical Article

    Alves, José do Patrocinio Hora; Lima, Maria Hortência Rodrigues; Dória, Josefa Raimunda; Silva, Igor Santos; Monteiro, Adnivia Santos Costa

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os processos geoquímicos que potencialmente controlam as características químicas das águas de três reservatórios, situados no estado de Sergipe, Nordeste do Brasil, foram avaliados usando o diagrama de Gibbs, análise de correlação, razões iônicas e modelagem geoquímica. Os resultados da modelagem geoquímica inversa, aplicada entre duas amostras de água de cada reservatório, foram concordantes com as observações da análise de correlação e razões iônicas, que indicaram a dissolução do sal marinho, o intemperismo dos silicatos e em menor proporção a dissolução dos carbonatos, como os principais processos geoquímicos responsáveis pelas características químicas das águas dos três reservatórios, inclusive confirmaram a importância da troca iônica para os reservatórios Macela e Ribeirópolis. Os resultados sugerem, portanto, que o crescente processo de salinização dos reservatórios é controlado principalmente pela interação água – rocha, podendo ter também contribuição da evaporação e de aportes antropogênicos.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The geochemical processes that potentially control the chemical characteristics of the waters of three reservoirs located in the state of Sergipe, Northeastern Brazil, were evaluated using the Gibbs diagram, correlation analysis, ionic ratios and geochemical modeling. The results of the reverse geochemical modeling applied between two water samples from each reservoir were in agreement with the observations of the correlation analysis and ionic ratios, which indicated sea salt dissolution, silicate weathering and, to a lesser extent, carbonate dissolution, as the main geochemical processes responsible for the chemical characteristics of the waters of the three reservoirs, also confirming the importance of ion exchange for the Macela and Ribeirópolis reservoirs. These findings therefore suggest that the growing salinization process of the reservoirs is mainly controlled by water-rock interactions and may also be influenced by contributions from evaporation and anthropogenic inputs.
  • Change in the dynamics of salinity and water quality of an island estuary by the discharge of effluents Scientific/technical Article

    Rodrigues, Claudinei José; Franco, Davide; Fonseca, Alessandra Larissa D’Oliveira; Leite, Nei Kavaguichi; Garbossa, Luis Hamilton Pospissil; Silva, Aichely Rodrigues da

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO As alterações antrópicas nas bacias hidrográficas costeiras afetam a quantidade e a qualidade da água dos estuários. A partir de um modelo analítico de intrusão salina e do balanço de cargas, avaliamos os efeitos da descarga de efluentes projetada para uma estação de tratamento de esgoto (ETE) (média de 285 L·s−1 e pico de 495 L·s−1) em um estuário insular. A intrusão salina na maré baixa, sem descarga antrópica, aumentará em 22%, ao passo que com o aumento da descarga haverá reduções de 16% e 28%. A redução da intrusão salina poderá afetará processos biogeoquímicos e a distribuição de espécies em regiões mais a montante do estuário. Quando a ETE atingir sua vazão média projetada, aumentará suas cargas de DBO e fósforo em 90% e 82%, respectivamente, em relação à carga atual. Com o aumento da vazão da ETE haverá ampliação das atuais áreas em condição de hipóxica e anóxica, piorando a situação atual deste estuário já comprometido. Para que a ETE traga os ganhos ambientais esperados é necessário considerar a capacidade suporte do corpo receptor.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Anthropic changes in coastal watersheds affect the quantity and quality of water in estuaries. Based on an analytical model of saline intrusion and load balance, we have evaluated the effects of effluent discharge (mean of 285 L·s−1 and peak of 495 L·s−1) from a wastewater treatment plant (WWTP) in an island estuary. Saline intrusion at low tide, without actual anthropic discharge, will increase by 22%, whereas with increasing discharge, reductions of 16% and 28%. The reduction of saline intrusion may affect biogeochemical processes and the distribution of species in regions further up the estuary. When the WWTP reaches the mean projected discharge, it will increase its BOD and phosphorus loads by 90% and 82%, respectively, in relation to the current load. With the increase of WWTP discharge, there will be an expansion of hypoxic and anoxic conditions over the current areas, worsening the condition of this already jeopardized estuary. For the WWTP to lead to the expected environmental gains, it is necessary to consider the carrying capacity of the receiving body.
  • Pluviometric patterns in the São Francisco River basin in Minas Gerais, Brazil Scientific/technical Article

    Ferreira, Dawber Batista; Barroso, Gabriela Rodrigues; Dantas, Marina Salim; Oliveira, Karla Lorrane de; Christofaro, Cristiano; Oliveira, Silvia Corrêa

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O presente estudo teve como objetivo avaliar a variabilidade espaço-temporal da precipitação na porção mineira da bacia hidrográfica do rio São Francisco, área de grande relevância socioambiental para o país e que apresentou eventos recentes de escassez hídrica. Análises estatísticas multivariada e não paramétricas foram aplicadas aos dados de precipitação acumulada mensal de 131 estações pluviométricas, para o período de 1989 a 2018. Os resultados indicaram a existência de distintas regiões pluviométricas homogêneas com maior variabilidade espacial do regime de chuva no sul da bacia. Em relação à análise temporal, os resultados indicaram existência da sazonalidade para o regime de chuva em todas as estações analisadas, com predominância do período chuvoso entre os meses de outubro e março para toda a porção mineira da bacia do rio São Francisco. Para 78% das estações analisadas não foi identificada tendência pluviométrica, sendo constatada para as demais estações (22%) tendência de redução do volume de chuva.

    Abstract in English:

    ABSTRACT This work aimed to evaluate the spatial-temporal variability of precipitation in the Minas Gerais section of the São Francisco River basin, an area of substantial socio-environmental relevance for the country and which has presented recent events of water scarcity. Multivariate and non-parametric statistical analyses were applied to the monthly precipitation data from 131 pluviometric stations, covering a period from 1989 to 2018. The results indicated distinct homogeneous pluviometric regions with greater spatial variability in rainfall patterns in the southern regions of the basin. Results from the temporal analysis indicated seasonality in the rainfall patterns for all seasons, with the rainy period predominantly occurring between October and March for the entire Minas Gerais section of the São Francisco River basin. No rainfall trend was identified in 78% of the stations, with the other stations (22%) showing a trend toward a reduction in rainfall volume.
  • Variability and spatial distribution of hydrodynamic properties in soil with preserved Caatinga Scientific/technical Article

    França, José Martins de; Coutinho, Artur Paiva; Prima, Simone Di; Bezerra, Saulo de Tarso Marques; Santos, Severino Martins dos; Rabelo, Ana Emília Carvalho de Gusmão da Cunha; Oliveira, Aline Lima de; Antonino, Antonio Celso Dantas

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO As funções de retenção de água no solo e condutividade hidráulica são indispensáveis para a caracterização e modelagem dos processos de infiltração e transferência de água na zona vadosa. No caso do semi-árido brasileiro, caracterizado pela escassez de recursos hídricos, faltam informações sobre as propriedades hidrodinâmicas do solo. Além disso, essas propriedades possuem inúmeros fatores de variabilidade, sendo essencial a caracterização de sua magnitude, bem como sua distribuição no espaço. Esta pesquisa apresenta uma análise das propriedades hidrodinâmicas de um solo sob mata nativa da Caatinga, típica do semi-árido brasileiro, observando sua distribuição espacial. Uma malha de 48 pontos foi desenvolvida em uma área de aproximadamente 875 m2, onde foi aplicada a metodologia Beerkan. As análises foram realizadas com base na aplicação do algoritmo BEST-Slope e em medidas estatísticas de posição, dispersão e aderência. Os resultados mostraram índices de variabilidade médios a altos para as propriedades hidrodinâmicas, com distribuição espacial aleatória, apesar da verificação de uma textura homogênea na área. Assim, verificou-se que a estrutura do solo foi preponderante nos processos de infiltração de água.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The functions of soil water retention and hydraulic conductivity are indispensable for the characterization and modeling of the infiltration and water transfer processes in the vadose zone. In the case of the Brazilian semi-arid region, characterized by the scarcity of water resources, there is a lack of information on the hydrodynamic properties of the soil. Also, these properties have numerous factors of variability, requiring the characterization of their magnitude and distribution in space. This research presents an analysis of the infiltration process and the hydrodynamic properties of the soil under native Caatinga forest, observing its spatial distribution. This vegetation is typical of the Brazilian semi-arid region. One developed a 48-point grid in an area of approximately 875 m2, and applied on it the Beerkan methodology. The analyzes were performed based on the application of the BEST-Slope algorithm and statistical measures of the position, dispersion, and adherence tests. The results showed medium to high variability indices for the hydrodynamic properties, with random spatial distribution, despite the verification of a homogeneous texture in the area. Thus, it was found that the soil structure was predominant in the processes of water infiltration.
  • A new empirical viscosity model for composed suspensions used in experiments of sediment gravity flows Scientific/technical Article

    Castro, Camila; de Oliveira Borges, Ana Luiza; Manica, Rafael

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os fluxos gravitacionais de sedimentos são tipos de fluxos naturais compostos por água e sedimentos nos quais o fluxo gravitacional atua sobre o sedimento. As distintas propriedades físicas dos sedimentos coesivos (argila) e não coesivos (areia) e a interação entre essas partículas alteram a capacidade interna do fluxo em resistir ao movimento (reologia) ao longo do tempo e do espaço, capacidade representada pela viscosidade da suspensão de mistura. Assim, propomos estudar as propriedades reológicas dessas misturas e calcular sua viscosidade relativa utilizada na simulação física de correntes de turbidez. Foram realizados testes reológicos com várias misturas compostas por água, argila e/ou carvão. Duas equações são propostas para estimar a viscosidade relativa em função da concentração volumétrica de cada sedimento, a fração máxima de empacotamento e a porcentagem de argila presente na mistura. Os resultados também mostram um erro próximo a 20% na comparação de modelos semelhantes na literatura, o que é satisfatório. Os resultados também demonstraram a necessidade de cautela ao generalizar o uso de um único modelo para prever a viscosidade relativa das suspensões. A influência da densidade (ρ), formato do grão, porcentagem de argila (Cclay), concentração volumétrica (ϕ) e fração máxima de embalagem (ϕmax) devem ser considerados na formulação das equações.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Sediment gravity flows are natural flows composed by water and sediment in which the gravitational flow acts on the sediment. The distinct physical properties of the cohesive (clay) and non-cohesive (sand) sediment, and the interaction between these particles alter the ability of the flow to resist to the movement (rheology) along time and space, represented by the viscosity of a mixture suspension. Hence, we propose to study the rheological properties of those mixtures and calculate their relative viscosity when used in the physical simulation of turbidity currents. Rheological tests were performed with various mixtures composed by water, clay and/or coal. Two equations are proposed to estimate the relative viscosity as a function of volume concentration of each sediment, the maximum packing fraction and the percentage of clay present in the mixture. The results also show an error close to 20% comparing similar models from the literature, which are satisfactory. The results also demonstrate that caution should be exercised when generalizing the use of a single model to predict the relative viscosity of suspensions. The influence of density (ρ), grain shape, clay percentage (Cclay), volumetric concentration (ϕ) and maximum packaging fraction (ϕmax) should be considered in the formulation of the equations.
  • Using artificial neural networks to determine sediment concentration at limit of deposition in storm sewers Scientific/technical Article

    Romero, Adhemar; Ota, José Junji

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O conceito de transporte de sedimentos no limite de deposição em galerias de drenagem representa uma condição operacional que evita deposição de sedimentos, mantendo a capacidade de descarga dos tubos. Neste trabalho, essa condição foi analisada aplicando uma Rede Neural Artificial Perceptron Multi Camadas (RNA-PMC) para a obtenção da concentração volumétrica no limite de deposição, utilizando 544 dados experimentais disponíveis na literatura. Foram avaliadas diferentes combinações de parâmetros de entrada e configurações do modelo, demonstrando sua sensibilidade para tais variações. Através do presente estudo é demonstrado que o modelo proposto supera o desempenho das equações existentes, levando a estimativas mais assertivas na determinação da concentração volumétrica no limite de deposição resultando valores de R2 = 0.92, Erro Percentual Absoluto Médio (MAPE) = 35.09% e Erro Absoluto Médio (MAE) = 59.84ppm. Com base nas análises realizadas, o estudo indica uma equação para uso em casos de extrapolações da concentração volumétrica no limite de deposição em galerias de drenagem. O uso da equação apontada está associado à base teórica utilizada em seu processo de obtenção. Este trabalho inclui, portanto, mais um conceito para uma melhor metodologia de se obter as condições de limite de deposição.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The concept of sediment transport at the limit of deposition in storm sewers represents one operational condition that avoid deposition of sediments maintaining the discharge capacity of the pipes. In this study, this condition was analyzed applying one Artificial Neural Network Multilayer Perceptron (ANN-MLP) model to predict the volumetric concentration at the limit of deposition, using 544 experimental data from literature. It was evaluated different input variables combinations and model configurations, showing the sensitivity of the model with these changes. Through this study, it was demonstrated that the proposed model outperforms the existing equations, leading to more assertive predictions in the determination of volumetric concentrations at the limit of deposition, resulting in values of R2 = 0.92, Mean Absolute Percentage Error (MAPE) = 35.09 % and Mean Average Error (MAE) = 59.84 ppm. With the performed analysis, the study selects one equation to be used for extrapolations when determining the volumetric concentration at the limit of deposition in storm sewers. The selected equation is superior due to its theoretical basis. This work includes one more concept to a better methodology in obtaining the conditions of the flow at the limit of deposition.
  • Quality analysis of water level series obtained by altimetric radar satellite along the São Francisco River Scientific/technical Article

    Martins, Luana Kessia Lucas Alves; Maillard, Philippe; Pinto, Eber José de Andrade; Moreira, Daniel Medeiros

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Radares altimétricos são equipamentos que permitem a obtenção da elevação da superfície, especialmente nos oceanos ou geleiras. O uso de dados de altimetria em cursos d’água continentais envolve desafios metodológicos, como a frequência de passagem do satélite (27 a 35 dias tipicamente), acurácia de decímetros, manipulação e processamento dos dados, especialmente para rios mais estreitos (largura < 1 km) como o Rio São Francisco. A altimetria por satélite radar propicia ganhos como a cobertura espacial e referência altimétrica global dos dados, que seriam impensáveis para a rede de monitoramento fluviométrico in situ convencional. Assim, os dados altimétricos deveriam ser usados como uma fonte complementar e/ou alternativa aos dados in situ. Neste contexto, este trabalho se propõe a consolidar e avaliar séries altimétricas de cinco diferentes missões: Envisat nas duas órbitas, Saral, Sentinel 3-A e Sentinel 3-B. Para análise do desempenho dos altímetros, 17 séries de nível d’água foram comparadas aos dados de estações fluviométricas niveladas viabilizando o cálculo do erro absoluto e relativo. Os erros encontrados são compatíveis aos encontrados na literatura, variando entre 0.13 m a 0.36 m nos melhores casos (41%). Os satélites Sentinel-3 apresentaram os melhores resultados de RMSE absoluto/relativo: 0.95/0.49 m (S-3A) e 0.96/0.52 m (S-3B). Na sequência, Envisat-X (1.39/0.50 m), Envisat (1.87/0.56 m) e Saral (1.74/0.60 m).

    Abstract in English:

    ABSTRACT Radar altimeters are instruments carried on space missions and allow for determination of heights, particularly in oceans and ice sheets. The use of altimetry data on continental waters involves several challenges, such as the revisit frequency (typically 27 to 35 days), an accuracy of decimeters, data handling and processing, particularly for narrow rivers such as the São Francisco River (width<1km). Radar satellite altimetry has advantages over the conventional in situ monitoring network, including in terms of spatial coverage and global altimetric reference of data. Thus, altimetry data should be used as a complementary and/or alternative source to in situ data. In this context, this study consolidates and evaluates the altimetric series of five different altimetry missions: Envisat in two orbits, Saral, Sentinel 3-A, and Sentinel 3-B. The altimetry water level time series of 17 Virtual stations were compared with leveled gauging stations series to calculate absolute and relative errors. Ultimately, the errors varied ​​from 0.13 m to 0.36 m in the best cases (41%), in line with recent literature. Sentinel-3 satellites showed the best RMSE absolute/relative results: 0.95/0.49 m (S-3A) and 0.96/0.52 m (S-3B). The second best RMSEs was Envisat-X (1.39/0.50 m), then Envisat (1.87/0.56 m) and Saral (1.74/0.60 m).
  • Soil water infiltration under different land use conditions: in situ tests and modeling Scientific/technical Article

    Failache, Moisés Furtado; Zuquette, Lázaro Valentin

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O objetivo deste trabalho foi avaliar a eficiência de diferentes modelos para estimar as taxas de infiltração de água nos tipos de solo Ferralic Arenosols e Rhodic Ferralsols localizados na região sudeste do Brasil, assim como a influência de nove tipos de uso do solo e práticas de manejo na modelagem da infiltração. A parametrização dos modelos foi realizada ajustando-se 42 curvas experimentais de infiltração obtidas em campo por meio do infiltrômetro tipo duplo anel. As propriedades básicas do solo das condições de infiltração foram determinadas por meio de ensaios laboratoriais. Os resultados foram avaliados usando estatística descritiva e indicadores de acurácia (coeficiente de eficiência de Nash e Sutcliffe e erro quadrático médio). Os modelos investigados simularam satisfatoriamente as taxas de infiltração e o modelo mais acurado foi o de Kostiakov modificado, seguido do Horton; Singh e Yu; Holtan modificado; Holtan; Philip; Green e Ampt/Mein e Larson e Kostiakov. Os diferentes tipos de usos da terra e práticas de manejo do solo afetam significativamente as taxas de infiltração, principalmente nas combinações que apresentam macroporosidade, que resultou em um comportamento errático da infiltração e afetou a acurácia dos modelos de infiltração.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The efficiency and suitability of different models to estimate infiltration rates in Ferralic Arenosols and Rhodic Ferralsols in southern Brazil are evaluated in this paper. The influence of nine types of land use and soil management practices on infiltration modeling is also assessed. Model parameterization was performed fitting 42 experimental infiltration curves obtained by in situ tests with a double-ring infiltrometer. Soil characterization was also performed in laboratory. The results were assessed using basic statistical descriptors and model accuracy indicators (Nash and Sutcliffe efficiency coefficient and root mean square error). The investigated models satisfactorily simulated the infiltration rates and the most accurate model was modified Kostiakov, followed by the Horton; Singh and Yu; modified Holtan; Holtan; Philip; Green and Ampt/Mein and Larson and Kostiakov. Different types of land uses and soil management practices significantly affect the infiltration rates, mainly those combination with great presence of macroporosity that resulted in an erratic infiltration behavior and affected the infiltration model accuracy.
  • Intensity-duration-frequency curves in the municipality of Belo Horizonte from the perspective of non-stationarity Scientific/technical Article

    Nunes, Aline de Araújo; Pinto, Eber José de Andrade; Baptista, Márcio Benedito; Paula, Mhaisa Henrique de; Xavier, Mateus Oliveira

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O estudo de mudanças em séries de dados hidrológicos é de grande importância científica e prática para os sistemas de recursos hídricos, uma vez que estes são normalmente projetados a partir da suposição de que a série temporal seja estatisticamente estacionária. Entretanto, tal suposição pode não ser verificada quando são considerados aspectos como alterações ou variabilidade climática. Dessa forma, esta pesquisa buscou identificar tendências em intensidades máximas de chuva em Belo Horizonte (MG) e propor, diante dos resultados observados, uma nova curva intensidade-duração-frequência (IDF) sob a ótica da não-estacionariedade para a cidade. Para a análise de tendências, foram utilizados testes estatísticos, e para quantificar as intensidades de chuva e ajustar uma curva IDF, foi proposta uma adaptação do conceito “Minimax Design Life Level”. Como resultados, foram detectadas diferentes tendências, sendo observado para durações iguais ou inferiores a 1 hora um aumento nas intensidades de chuva a partir do ano 2000. No que se refere ao ajuste da IDF, foram obtidas intensidades de chuva até 48% superiores às estimativas atuais. Ressalta-se, então, a necessidade de revisões periódicas das relações IDF a fim de evitar sub ou superestimativas no dimensionamento de obras hidráulicas.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The study of changes in hydrological data series is of great scientific and practical importance for water resources systems, since these are normally projected based on the assumption that time series is statistically stationary. However, such assumption may not be verified when aspects as changes or climatic variability are considered. In this sense, the present study sought to identify trends in maximum rainfall intensities in Belo Horizonte (MG) and propose, in view of the observed results, a new intensity-duration-frequency (IDF) curve from the perspective of non-stationarity. For the trend analysis, statistical tests were applied, and an adaptation of the concept “Minimax Design Life Level” was proposed to quantify rainfall intensities and fit a non-stationary IDF curve. As a result, different trends were detected, with an increase in rainfall intensities for durations equal to or less than 1 hour starting in 2000. Regarding the IDF relationships, the obtained rain intensities were up to 48% higher than current estimates. Our results emphasize the need to periodically review IDF relationships in order to avoid under or overestimation in the design of hydraulic structures.
  • Statistical analysis of hydrochemistry and isotopic characterization of groundwater from the Parecis Basin Scientific/technical Article

    Stradioto, Marcia Regina; Teramoto, Elias Hideo; Chang, Hung Kiang

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O conhecimento dos mecanismos que controlam a hidroquímica das águas subterrâneas é um requisito fundamental para compreender a evolução hidroquímica e avaliar a qualidade da água dos recursos hídricos subterrâneos. Por consequência, para compreender o processo que governa a variabilidade da hidroquímica e dinâmica de escoamento dos aquíferos Parecis e Ronuro, foi empregado uma abordagem combinando o uso de análises estatísticas e caracterização isotópica. A matriz de correlação permitiu verificar que os maiores coeficientes de correlação foram observados entre HCO3-, Ca2+, Mg2+ - Sr2+, SO42-. e F-, sugerindo que esses parâmetros são derivados da mesma fonte, provavelmente a interação rocha/água. Adicionalmente, também observamos correlação moderada a alta entre NO3-, Cl-, Na+, K+ e Ba2 +, que coletivamente são indicativos da contaminação por efluente doméstico. Complementarmente, a Análise de Componentes Principais permitiu identificar que grande parte da variância da histoquímica das amostras avaliadas é controlada por HCO3-, Ca2+ e Mg2+ associados à interação rocha-água. Quanto aos valores dos isótopos 18O e 2H, foi possível notar que as recargas do aquífero são de origem meteórica e que as amostras do Aquífero Ronuro são mais enriquecidas que as amostras SAP. Os resultados alcançados reforçam a capacidade das técnicas de análise estatística multivarida para discernir o processo principal que controla a variabilidade da hidroquímica da água subterrânea.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Knowledge of mechanism controlling the hydrochemistry of groundwater are crucial requirement to understand the hydrochemical evolution and evaluate the water quality of subsurficial water resources. Thus, to understand the process governing the hydrochemistry variability and flow dynamics of the Parecis and Ronuro Aquifers, the use of statistical analysis and isotopic characterization were combined. In the correlation matrix it was found that the highest correlation coefficient was observed for HCO3-, Ca2+, Mg2+, Sr2+, SO42-, and F-, which suggested that these parameters are derived from the same source, most likely from rock–water interactions. Additionally, we noticed moderate to high correlation among NO3-, Cl-, Na+, K+, and Ba2+, which collectively are indicative of domestic sewage contamination. Finally, a principal component analysis (PCA) identified that the most variance in hydrochemistry from the evaluated samples was controlled by HCO3-, Ca2+ and Mg2+, which is associated with rock–water interaction. Regarding the 18O and 2H isotope values, it could be observed that the aquifer recharges were of meteoric origin and that the Ronuro Aquifer samples were more enriched than the PAS samples. This work reinforces the capability of multivariate statistics to discern the main process that controls the variability of groundwater hydrochemistry.
  • State-transition matrices as an analysis and forecasting tool applied to water quality in reservoirs Scientific/technical Article

    Carvalho, João Marcos; Bleninger, Tobias

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Reservatórios de água têm como função controlar a variabilidade temporal da disponibilidade hídrica, trazendo um aumento de segurança sobre esse recurso. A qualidade da água desses sistemas deve ser adequada para os seus múltiplos usos, sendo uma das principais ferramentas para o seu entendimento, a modelagem matemática. Dada a importância da qualidade da água, o objetivo deste artigo é desenvolver uma análise que considera a aleatoriedade das variáveis que afetam os regimes térmicos e/ou biogeoquímicos de reservatórios. Para isso, foi feita a combinação de análises determinísticas e estatísticas, de modo que as probabilidades de ocorrência de um determinado evento sejam consideradas. Fatores dificultantes, como a falta de dados de qualidade da água e outras variáveis, foram considerados, o que aumenta a capacidade de replicabilidade da análise. O método de pesquisa é dividido em três grupos: Modelagem, Cenarização e Compilação. Através da modelagem, um modelo é criado, possibilitando o uso de cenários, que são estatisticamente gerados, e compilados em matrizes de transição de estados. Com isso, obtêm-se uma ferramenta mais robusta para entender a dinâmica da qualidade da água em um sistema, dado que o método não é altamente dependente de medições de campo e é facilmente adaptável e replicável.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Water reservoirs have the function to control the temporal variability of the water availability, thus bringing greater security over these resources. The water quality of these systems must be adequate for their multiple uses, and one of the main tools to understand it, is mathematical modelling. Given the importance of the water quality, the goal of this paper is to develop an analysis that takes into account the randomness of the variables that affect the thermal and/or biochemical regimes of a reservoir. For this, it is proposed a combination of deterministic and statistical analysis, where the probabilities of occurrence of a given event are considered. Difficult factors, such as the lack of data on the water quality and other variables, were considered, which increases the replicability of the method. The research method is divided into three groups: Modelling, Scenarios and Compilation of these scenarios. Through modelling, a base layout is created, enabling the use of scenarios, which are statistically analysed, and compiled into a state-transition matrix. With this, a more robust tool to understand the dynamics of water quality in a system is obtained, since it is not heavily dependent on field measurements and is easily adaptable and replicable.
  • Green roof evapotranspiration rates and stormwater control under subtropical climate: a case study in Brazil Scientific/technical Article

    Arboit, Nathana Karina Swarowski; Tassi, Rutineia; Liberalesso, Tiago; Ceconi, Denise Ester; Piccili, Daniel Gustavo Allasia

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Neste estudo foi realizado um experimento de campo de longo prazo avaliando as taxas de evapotranspiração de módulos de telhados verdes irrigados e não irrigados, bem como seus impactos no controle de águas pluviais. Seis módulos de telhado verde (3 irrigados e 3 não irrigados) com vegetação de S. rupestre foram monitorados ao longo de 8 meses no sul do Brasil. Além disso, quatro módulos sem vegetação (2 irrigados e 2 não irrigados) foram avaliados simultaneamente para compreender o papel da vegetação em todo o processo. A evapotranspiração média sob condição de estresse hídrico (ETr) foi de 2,6 mm.dia-1, enquanto a evapotranspiração média sob condição de abundância hídrica (ETp) foi de 2,8 mm.dia-1. Maiores taxas de evapotranspiração foram observadas durante o verão, aumentando a capacidade de armazenamento do substrato, embora a quantidade de ETr ao longo das estações tenha sido muito semelhante, afetada principalmente pelas condições climáticas. A análise de longo prazo mostrou que 47% do total da chuva foi convertido em escoamento, 21% foi retido nos módulos de telhado verde e 32% foi liberado por evapotranspiração, reforçando a importância da vegetação como mecanismo para melhorar os benefícios de controle de águas pluviais. Os resultados desta pesquisa também permitiram o estabelecimento de uma série temporal do coeficiente de cultura (Kc), com média mensal de 0.9 que permite estimar preliminarmente a evapotranspiração do S. rupestre por meio de equações desenvolvidas para cultura de referência sem necessidade de monitoramento.

    Abstract in English:

    ABSTRACT In this study a long-term field experiment evaluating evapotranspiration rates from irrigated and non-irrigated green roof modules, as well their impacts on stormwater control was accomplished. Six green roof modules (3 irrigated and 3 non-irrigated) vegetated with S. rupestre were monitored throughout 8 months in southern Brazil. Four non-vegetated modules (2 irrigated and 2 non-irrigated) were simultaneously assessed to understand the role of the vegetation in the whole process. The average evapotranspiration under water-stress (ETr) was 2.6 mm.day-1, while mean evapotranspiration under water-abundance (ETp) was 2.8 mm.day-1. Higher evapotranspiration rates were observed during summer, increasing the substrate storage capacity, although ETr amount along the seasons was very similar, mainly affected by climatic conditions. The long-term analysis showed that 47% of the total rainfall was converted into runoff, 21% was retained in the green roof modules and 32% was released through evapotranspiration, reinforcing the importance of vegetation as a mechanism for improving stormwater control benefits. The results of this research also allowed the establishment of a crop coefficient (Kc) time series, with a monthly average of 0.9 which permits the S. rupestre evapotranspiration to be preliminarily estimated by using equations developed for reference culture without the need of monitoring.
  • Validation of TRMM data in the geographical regions of Brazil Scientific/technical Article

    Moraes, Rafael Brandão Ferreira de; Gonçalves, Fábio Veríssimo

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A baixa densidade de estações meteorológicas superficiais, áreas de difíceis acessos e elevada quantidade de valores ausentes prejudicam um monitoramento hidrológico rápido e eficaz. Assim, o presente estudo tem como objetivo validar estatisticamente as estimativas de precipitação pelo produto de satélite Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) em relação aos dados observados nas Estações Meteorológicas Convencionais (EMCs) nas regiões geográficas do Brasil. Os indicadores estatísticos utilizados foram: Coeficiente de Correlação (r), Erro Médio Absoluto (EMA), Percentual de Bias (Pbias), Teste-T e Teste de Mann-Witiney. Conclui-se que os dados de precipitação estimados via TRMM são alternativas eficazes e confiáveis para estudos hidrológicos em áreas que não possuem medidores in-situ e/ou necessitem de preenchimento de valores ausentes nas cinco regiões do país, sobretudo nos meses mais secos e em escalas maiores de tempo.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The low density of precipitation gauges, the areas of difficult access and the high number of missing values hinder a rapid and effective hydrological monitoring. Thus, the present study aims to statistically validate the precipitation estimates by the data Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) in relation to the data observed in the Conventional Meteorological Stations (CMSs) in the geographic regions of Brazil. The statistical indicators used were: Correlation Coefficient (r), Mean Absolute Error (MAE), Percentage of Bias (Pbias), T-Test and Mann-Witiney Test. It is concluded that the precipitation data estimated via TRMM are effective and reliable alternatives for hydrological studies in areas that do not have in-situ gauges and/or need to fill missing values in the five regions of the country, especially in the driest months and in larger time scales.
  • Optimal architecture for artificial neural networks as pressure estimator Scientific/technical Article

    Souza, Rui Gabriel Modesto de; Brentan, Bruno Melo; Lima, Gustavo Meirelles

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO O conhecimento dos parâmetros hidráulicos em uma rede de distribuição de água pode ser usado para indicar problemas em tempo real, como rompimentos de tubos, pequenos vazamentos, aumento da rugosidade do tubo e conexões ilegais. No entanto, uma indicação precisa depende da quantidade e qualidade dos dados adquiridos, ou seja, do número de sensores usados para monitorar a rede e sua localização. Entretanto, não é economicamente viável ter um grande número de sensores, portanto, o uso da inteligência artificial, como Redes Neurais Artificiais (RNAs) podem reduzir a falta de informações necessárias para identificar problemas, estimando parâmetros hidráulicos através das poucas informações coletadas. A confiabilidade das RNAs depende de sua arquitetura, então, neste trabalho, diferentes condições são testadas para o treinamento das RNAs de modo a identificar quais são os parâmetros mais relevantes a serem ajustados quando utilizadas na estimativa de pressão.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The knowledge of hydraulic parameters in water distribution networks can indicate problems in real time, such as pipe bursts, small leakages, increase in pipe roughness and illegal connections. However, an accurate indication relies on the quantity and quality of the data acquired, i.e., the number of sensors used to monitor the network and their location. It is not economic feasible have a great number of sensors, thus, the use of artificial intelligence, such as Artificial Neural Networks (ANNs) can reduce the lack of information necessary to identify problems, estimating hydraulic parameter through the few information collected. The reliability of ANNs depends on its architecture, so, in this paper, different conditions are tested for ANN training to identify which are the most relevant parameters to be adjusted when the ANN is used for pressure estimation.
  • The uncertainties of synthetic unit hydrographs applied for basins with different runoff generation processes Scientific/technical Article

    Pedroso, Andreia; Mannich, Michael

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os hidrogramas unitários sintéticos (HUS) são ferramentas de grande utilidade para a estimativa de vazões máximas em bacias hidrográficas desprovidas de registros históricos de medições. Entretanto, esses métodos possuem muitas incertezas e nem sempre produzem resultados compatíveis com a realidade. Este estudo analisou comparativamente a incerteza da aplicação dos métodos de HUS de Snyder, SCS e Clark, largamente utilizados, em relação aos hidrogramas observados, nas bacias hidrográficas do rio Pequeno e do rio Espingarda, localizadas no estado do Paraná, consideradas pequenas do ponto de vista de área de drenagem. A simulação foi realizada por meio do software HEC-HMS 4.2.1 considerando uma combinação de parâmetros que produziram a maior a menor vazão de pico, denominadas respectivamente abordagens conservadora e arrojada. Constatou-se que os três métodos de HUS analisados, geralmente, superestimaram as vazões de pico para ambas as bacias hidrográficas em estudo. Adicionalmente, os resultados obtidos mostraram que os HUS são fundamentalmente modelos conservadores, de modo que uma abordagem arrojada na estimativa dos parâmetros de entrada conduz a resultados com menores erros nas vazões de pico simuladas. Mesmo simulando HUS com o excesso de chuva real como entrada, há uma superestimativa da vazão de pico. O HUS do SCS produziu as maiores vazões de pico e, consequentemente, os maiores erros, enquanto o HUS de Snyder produziu os menores erros. Para o rio Pequeno, a estimativa chegou a ser 60 vezes superior às medições. As características geológicas sugerem o processo Duniano de geração de escoamento superficial, que explica a magnitude dos erros.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Synthetic unit hydrographs (SUH) are useful tools for the estimation of maximum flows in basins lacking historical records of measurements. However, these methods have many uncertainties and do not always produce results consistent with reality. This study comparatively analyzed the uncertainty of the application of the Snyder, SCS, and Clark HUS methods, widely used, in relation to the observed hydrographs, in the Pequeno River and the Espingarda River basins, located in the State of Paraná, considered small from the point of view of the drainage area. The simulation was performed using the HEC-HMS 4.2.1 software considering a combination of parameters that produced the higher and lower peak flow, respectively named as conservative and bold approaches. It was verified that the SUH methods, in general, overestimated the peak flows for both basins under study. In addition, the results obtained showed that SUH are fundamentally conservative models so that a bold approach in estimating the parameters input leads to results with smaller errors in simulated peak flows. Even running the SUH with the real excess rainfall as input there is an overestimation of the peak flow. SCS SUH produced the highest peak flows and consequently the largest errors while Snyder’s SUH produced the smallest errors. The magnitude of the overestimation of the peak flow for the Pequeno River was up to 60 folds. Its geology features suggest a Dunnian runoff generation process, which explains the larger errors.
  • Induced aeration flow over stepped spillways: mean pressures, air entrainment and flow behavior Scientific/technical Article

    Novakoski, Carolina K.; Ferla, Rute; Priebe, Priscila dos Santos; Abreu, Aline Saupe; Marques, Marcelo G.; Prá, Maurício Dai; Canellas, Alba V. B.; Teixeira, Eder D.

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Vertedouros em degraus dissipam uma grande quantidade de energia durante a passagem do escoamento pela calha, porém essas estruturas tem sua operação limitada devido a riscos de danos por cavitação. A aeração induzida pode agir protegendo a calha de concreto através da concentração de ar próximo ao fundo do canal. Além disso, algumas pesquisas têm indicado que a presença de ar em escoamentos pode reduzir as pressões médias. A presente pesquisa tem por objetivo analisar as pressões médias, coeficiente de entrada de ar e o comportamento do escoamento sobre uma calha em degraus com dois diferentes defletores, comparando os resultados com um escoamento com aeração natural. Além da influência no ponto de impacto do jato, a aeração induzida não alterou, significantemente, as pressões medias em relação a um escoamento com aeração natural. O coeficiente de entrada de ar, assim como a posição de impacto do jato, é maior para o defletor mais extenso e, embora bolhas de ar possam ser identificadas ao longo de toda a extensão da calha, devido à entrada de ar através da superfície inferior do escoamento, a aeração induzida não antecipou a posição de afloramento da camada limite.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Stepped spillways can dissipate a great amount of energy during the flow passage over the chute, however these structures have limited operation due to the risk of cavitation damage. The induced aeration may protect the concrete chute through the air concentration near the channel bottom. Furthermore, some research studies have indicated that the presence of air in flows may reduce the mean pressures. The present research aims to analyze mean pressures, air entrainment coefficient and flow behavior over a stepped spillway with aeration induced by two different deflectors, comparing the results to natural aeration flow. Despite the jet impact influence, the induced aeration does not change significantly the mean pressures compared to natural aeration flow. The air entrainment coefficient, as well as the jet impact position, is higher for the deflector with the longer extension and, although air bubbles can be seen throughout the extension of the chute due to the air entrainment through the inferior flow surface, the induced aeration did not anticipate the boundary layer inception point position.
  • Increasy eutrophication symptoms during a prolonged drought event in tropical semi-arid reservoirs, Brazil Scientific/technical Article

    Santos, Diógenes Fernandes dos; Silva, Jonathan Mota da; Becker, Vanessa

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A eutrofização é um problema global e uma importante causa da degradação da saúde ecológica dos ecossistemas aquáticos. O objetivo foi avaliar o efeito do período prolongado de seca sobre o estado trófico de dois reservatórios semiáridos brasileiros, Boqueirão de Parelhas (BOQ) e Passagem das Traíras (TRA). O trabalho foi realizado de acordo com um sistema de classificação de secas, com base no Índice Padronizado de Precipitação (SPI), com uma escala de tempo agregada de 36 mese definindo três períodos. No Período I, maiores valores de Secchi e menores valores de turbidez, sólidos suspensos totais, fósforo total e clorofila-a foram registrados quando comparados aos demais períodos, principalmente em BOQ. As análises de componentes principais de ambos os reservatórios revelaram uma tendência temporal das unidades amostrais de acordo com as consequências da seca prolongada. Os resultados indicaram mudanças nas variáveis ​​limnológicas devido à redução do volume de água, e demonstraram que secas prolongadas impactam na intensificação da eutrofização em ambos sistemas. O estado trófico do BOQ foi alterado de mesotrófico para eutrófico como uma consequência da seca, enquanto que em TRA o estado eutrófico permaneceu, mas com os sintomas intensificados, com altas concentrações de nutrientes, sólidos e biomassa algal.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Eutrophication is a global problem and an important cause of the ecological health degradation of aquatic ecosystems. The aim was to evaluate the effect of prolonged drought period (2012 to 2019) on the trophic state of two Brazilian semi-arid reservoirs, Boqueirão de Parelhas (BOQ) and Passagem das Traíras (TRA). The work was carried out according to a drought classification system, based on the Standardized Precipitation Index (SPI), with an aggregated timescale of 36 months, defining three periods. In the Period I, higher values of Secchi and lower values of turbidity, solids, nutrients and chlorophyll-a were registered, when compared to the other periods, mainly in BOQ. The principal component analyses of both reservoirs reveled a showed a temporal trend of the sample units according to the consequences of the prolonged drought. The results indicated changes in limnological variables due to the reduction of accumulated water volume, and they demonstrated that prolonged droughts impact the intensification of eutrophication in both systems. The trophic state of the BOQ reservoir was changed from mesotrophic to eutrophic as a consequence of the drought, while in TRA the eutrophic state remained, but with more intensified symptoms, with higher concentration values of nutrients, solids and algal biomass.
  • Determining a composite value for the saturated hydraulic conductivity in a recharge area of the Guarani Aquifer System, using pedotransfer functions Scientific/technical Article

    Oliveira, Marcelo Eduardo Dias de; Gastmans, Didier; Sacchi, Marcelo Donadelli; Rocha, Rodrigo Esteves; Lima, Camila de; Santos, Vinícius dos

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO A condutividade hidráulica saturada (Ks) é uma propriedade essencial para modelagem do fluxo de água e contaminantes da zona não saturada em direção aos aquíferos. Entretanto, Ks é extremamente variável, mesmo considerando-se locais muito próximos, o que torna a modelagem em escala de bacia de drenagem um desafio. Medições de Ks em campo são na maioria das vezes dispendiosas, demoradas e trabalhosas. O objetivo desse estudo é obter, para fins de modelagem computacional, e por meio de funções de pedotransferência (FPTs), um valor representativo de Ks para uma área de recarga do Sistema Aquífero Guarani. Amostras de solo foram coletadas por toda área de estudo e os valores de Ks em cada ponto de amostragem determinados por meio de FPTs. Nos mesmos pontos, foram feitas medições de Ks por meio de um permeâmetro Guelph. Os valores médios de Ks calculados por meio de FPTs para todos os pontos de amostragem foram semelhantes aos valores médios obtidos pelas medições de campo. O uso de FPTs provou ser um método mais rápido e simples para determinar com eficiência o valor de Ks da área de recarga e para capturar a variação estocástica em termos de combinação de poros do solo na escala considerada.

    Abstract in English:

    ABSTRACT The saturated hydraulic conductivity (Ks) is an essential property for modeling water and contaminants movement into aquifers. However, Ks is extremely variable, even when considering nearby locations, which poses a challenge for modeling at catchment scales. Field measurements of Ks are most of the time expensive, time-consuming and labor-intensive. This study aimed to obtain, for modeling purposes, and using pedotransfer functions (PTFs), a composite value of Ks at a catchment scale, in a recharge area of the Guarani Aquifer System. Soil samples were taken across the study area, and the Ks for each sampling point were determined by several PTF methods. At the same locations, Ks field measurements were taken using a Guelph permeameter. Average values of Ks for all the sampling points calculated by PTFs were similar to the average value obtained by field measurements. The use of PTFs proved to be a faster and simpler method to efficiently determine the Ks value for the watershed and to capture the stochastic variation in terms of soil pore combination at the watershed scale.
  • Roll waves and their generation criteria Technical Note

    de Oliveira Ferreira, Fabiana; Maciel, Geraldo de Freitas; Pereira, João Batista

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Ondas pulsantes (tipo roll waves) podem surgir na superfície livre de eventos extremos como corridas de detritos e lamas, dentre outros, potencializando os danos causados. Esta nota técnica tem por objetivo informar sobre a fenomenologia das roll waves evoluindo na superfície livre de escoamentos laminares e analisar seus critérios de geração com foco nos conceitos de Froude mínimo e da frequência de perturbação. A análise de estabilidade linear completa do novo modelo das equações promediadas na vertical, mostrou-se como ferramenta teórica útil na determinação dos novos critérios de geração de roll waves evoluindo em fluidos não-newtonianos. Os resultados demonstraram que a geração de roll waves depende, de fato, de dois critérios: o primeiro associado ao número de Froude mínimo e o segundo relacionado à frequência de corte. Além disso, testou-se e confirmou-se que esses novos critérios de geração foram também atendidos, quando da simulação numérica obtida por um segundo modelo baseado nas equações completas, neste caso, o software Fluent. Globalmente, o surgimento de roll waves é favorecido pelas propriedades não-newtonianas do fluido escoante com a frequência de corte diminuindo com o número de Froude. Por fim, ambos os critérios de geração foram aplicados em um estudo de caso com presença de roll waves em uma bacia de drenagem.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Pulsating waves (also known as roll waves) might occur on the free surface of extreme events like mud and debris flows, among others, usually intensifying the caused damage. This technical note aims to inform about the roll wave phenomenon developing in a free-surface laminar flow, and analyze its generation criteria, centered on the concepts of Froude number and disturbance frequency. The complete linear stability analysis of the new depth-averaged model was proven a useful theoretical tool in determining new generation criteria for roll waves developing in non-Newtonian fluids. The results showed that the roll wave generation depends on two criteria: the first is associated to the minimum Froude number, and the second is related to the cut-off frequency. In addition, we have confirmed that the new generation criteria can be verified via numerical simulation based on a second model with full equations (Fluent software). Globally, the emergence of roll waves is favored by the non-Newtonian properties of the flowing fluid and the fact that the cut-off frequency decreases along with the minimum Froude number. Lastly, both generation criteria were tested in order to examine a case study involving the occurrence of roll waves in a watershed.
  • Influence of rainfall and design criteria on performance of rainwater harvesting systems placed in different Brazilian climatological conditions Technical Note

    Perius, Carla Fernanda; Tassi, Rutineia; Lamberti, Lucas Alves; Silva, Angélica Guimarães da; Böck, Liriane Élen

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Os sistemas de aproveitamento de água da chuva (RWH) são influenciados por fatores socioeconômicos, ambientais e técnicos. Foi avaliada a influência das características das séries temporais de chuva e dos critérios de projeto no desempenho de RWH em cinco capitais brasileiras com diferentes características climáticas: Goiânia, João Pessoa, Manaus, Porto Alegre e São Paulo. As análises combinaram diferentes áreas de telhado, volumes de armazenamento e demandas. As séries diárias de precipitação foram adequadas para dimensionar o RWH, a extensão da série influenciou a eficiência para maiores reservatórios, e a eficiência de RWH não foi significativamente afetada pelo first-flush. As demandas de descarga da bacia sanitária e irrigação tiveram o maior impacto no desempenho do RWH. Os maiores potenciais para a implantação de RWH foram observados para Porto Alegre, devido à precipitação bem distribuída ao longo do ano, e para Manaus devido aos maiores volumes anuais de precipitação. Esses resultados evidenciam aspectos relevantes que devem ser observados durante a concepção e projeto de RWH, complementando as diretrizes previstas nas normas técnicas brasileiras.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Using rainwater harvesting (RWH) system is influenced by socioeconomic, environmental and technical factors. This work presents as analysis of the influence of the rainfall time series characteristics and design criteria on RWH performance of five Brazilian capitals with different climatic characteristic: Goiânia, João Pessoa, Manaus, Porto Alegre and São Paulo. The analysis combined different rooftop areas, storage volumes and the indoor and outdoor demands. Rainfall temporal discretization and the types of demands were the most important characteristics when assessing RWH reliability. Daily rainfall data were suitable for sizing the RWH, the time series length influenced the sizing of larger storage volumes, and the RWH efficiency was not significantly affected by the first-flush. Toilet flushing and the irrigation demands had the greatest impact on RWH performance. The greatest potentials for the implementation of RWH were observed for Porto Alegre, because of well distributed rainfall throughout the year, and for Manaus owing to higher annual volumes of precipitation. These results highlight relevant aspects that must be observed during the conception and design of RWH, complementing the guidelines provided in the Brazilian technical standards.
  • Effect of hydraulic and geometric factors upon leakage flow rate in pressurized pipes Technical Note

    Silva, Mayara Francisca da; Gonçalves, Fábio Veríssimo; Janzen, Johannes Gérson

    Abstract in Portuguese:

    RESUMO Simulações com Fluidodinâmica Computacional (CFD) de um vazamento em um conduto pressurizado foram realizadas para determinar os efeitos empíricos de fatores hidráulicos e geométricos na vazão através do vazamento. Os resultados mostram que a pressão, área de vazamento e forma do vazamento, influenciaram a vazão significativamente, enquanto que a espessura do tubo e a velocidade média não influenciaram a vazão através do vazamento. Com relação às interações, o efeito da pressão sobre a vazão depende da área do vazamento, sendo maior para áreas de vazamento maiores; os efeitos da área de vazamento e pressão na vazão através do vazamento é mais pronunciada para vazamentos longitudinais em comparação a vazamentos circulares. Finalmente, nossos resultados sugerem que as equações que predizem vazão através de vazamentos em tubos pressurizados precisam passar por uma revisão.

    Abstract in English:

    ABSTRACT Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations of a leakage in a pressurized pipe were undertaken to determine the empirical effects of hydraulic and geometric factors on the leakage flow rate. The results showed that pressure, leakage area and leakage form, influenced the leakage flow rate significantly, while pipe thickness and mean velocity did not influence the leakage flow rate. With relation to the interactions, the effect of pressure upon leakage flow rate depends on leakage area, being stronger for great leakage areas; the effects of leakage area and pressure on leakage flow rate is more pronounced for longitudinal leakages than for circular leakages. Finally, our results suggest that the equations that predict leakage flow rate in pressurized pipes may need a revision.
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