Abstract in Portuguese:
RESUMO Este artigo tem como objetivo desenvolver um modelo conceitual de decisão em grupo capaz de diagnosticar as barreiras existentes para o alcance de metas na gestão pública orientada por resultados no Sistema de Gestão de Recursos Hídricos (SGRH) do estado brasileiro de Alagoas. O modelo foi baseado em um método de pesquisa operacional soft, incorporando feedbacks sistemáticos sobre as metas de não conformidade, e aplicado ao contexto do repasse de recursos financeiros do programa do governo federal para o SGRH nos estados brasileiros. Este programa envolve o problema dos usos múltiplos dos recursos hídricos e é composto por variáveis nas quais são necessárias ações para atingir as metas estabelecidas. O modelo tem a capacidade de auxiliar os gestores públicos estaduais de recursos hídricos a compreenderem os problemas relacionados ao descumprimento das metas definidas pelo programa, direcionando a gestão para a melhoria dos processos deficientes. Consequentemente, melhorar a gestão da água em seus múltiplos usos, onde a sociedade é a maior beneficiária.Abstract in English:
ABSTRACT This aim of this article is to develop a conceptual group decision model capable of diagnosing existing barriers to achieving goals in results-based management in the Water Resource Management (WRM) system of the Brazilian state of Alagoas. The model was based on a Soft Operational Research method, incorporating systematic feedback on non-compliance targets and applied in the context of the transfer of funds from the federal government program to the WRM system in Brazilian states. This program involves the problem of multiple uses of water resources, and it is composed of variables in which actions are necessary to achieve the established goals. The model helped public water resource managers from Alagoas to understand problems related to non-compliance with the goals set by the program, directing management to the improvement of deficient processes. Consequently, we have better water management for its multiple uses, with society as the major beneficiary.Abstract in Portuguese:
RESUMO A modelagem das interações entre bacia hidrográfica e lago é computacionalmente exigente, e geralmente requer modelos numéricos acoplados e recursos de processamento paralelo. No entanto, modelos com esses requisitos ainda são raros. Neste trabalho, desenvolvemos um modelo 2D-3D acoplado para bacias de lagos usando um esquema paralelo que aproveita o poder de processamento de GPUs e de várias CPUs. O modelo permite aplicações de simulação hidrodinâmica considerando fluxos de água difusos na interface entre a bacia hidrográfica e o lago. Acoplamos o Código de Dinâmica de Fluidos Ambiental (Environmental Fluid Dynamics Code - EFDC) com um modelo bidimensional de águas rasas e o testamos na bacia da Lagoa do Peri, no sul do Brasil. Os resultados revelaram a capacidade do modelo de simular os níveis da água do lago, bem como entradas difusas de água e solutos, proporcionando a possibilidade de seu uso no gerenciamento da água de lagos e reservatórios.Abstract in English:
ABSTRACT Modeling catchment-lake interactions is computationally demanding, usually requiring coupled numerical models and parallel processing capabilities. However, models with these requirements are still rare. In this paper, we developed a coupled 2D-3D model for lake catchments using a parallel scheme that leverages processing power of GPU and multiple CPUs. The model allows for hydrodynamic simulation applications considering diffuse water flows at the interface between the catchment and the lake. We coupled the Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC) with a two-dimensional shallow water model and test it on the Peri Lake Catchment in southern Brazil. The results revealed the ability of the model simulate lake water levels as well as the diffuse inputs of water and solutes, providing the possibility of its use in lake and reservoir water management.Abstract in Portuguese:
RESUMO Modelos de qualidade da água são frequentemente aplicados para apoiar as definições de planejamento e gestão de recursos hídricos. Este processo requer dados apropriados para calibrar e fazer o processo de verificação necessário para análise de validação. No entanto, em alguns estudos de caso, não há dados suficientes para executar um modelo complexo de qualidade da água, seja qual for o sistema de água, rio ou reservatório. No contexto de dados escassos, a busca por modelos simples de qualidade da água é uma alternativa para compreender o comportamento da qualidade da água. Nesta pesquisa, um modelo zero-dimensional não-permanente de qualidade de água foi desenvolvido e aplicado utilizando séries sintéticas de concentrações de fósforo para um reservatório brasileiro. Os resultados dos modelos zero-dimensionais desenvolvidos nesta pesquisa foram comparados aos resultados de um modelo tridimensional, a fim de verificar se esta metodologia pode ser uma alternativa mais simples ao modelo tridimensional complexo. Os resultados compatíveis dos modelos zero-dimensional (0D) e tridimensional (3D) mostram que os esquemas numéricos simplificados são importantes ferramentas potenciais a serem consideradas para a análise inicial da dinâmica da qualidade da água em reservatórios e para fins de gestão.Abstract in English:
ABSTRACT Water quality models are often applied to support the definitions for water resources planning and management. This process requires appropriate data to calibrate and make the required verification process for validation analysis. However, in some case studies, there is not enough data to run a complex water quality model whatever is the water system, being river or reservoir. In the context of scarce data, the search for a simple water quality model is an alternative to comprehend the water quality behavior of the water system. In this research, an unsteady zero-dimensional (0D) water quality model was developed and applied using synthetic series of phosphorus concentrations for a Brazilian reservoir. The results of the zero-dimensional models developed in this research were compared to the results of a three-dimensional water quality model, in order to verify if this methodology can be a simpler alternative to a complex three-dimensional model. The compatible results of the zero-dimensional (0D) and three-dimensional (3D) models show the simplified numerical schemes are important potential tools to be considered for initial analysis of water quality dynamics in reservoirs and for management purposes.Abstract in Portuguese:
RESUMO A falta de dados observados e estratégias de calibração, a variabilidade de escalas e as dificuldades em representar a heterogeneidade dos processos de erosão e sedimentação contribuem para os desafios usuais na obtenção de resultados satisfatórios na modelagem hidrossedimentológica, particularmente quando se usa a equação MUSLE para aplicações em larga escala. Como consequência, investigamos cinco tópicos principais: (1) uma técnica de parametrização baseada em processos de produção de sedimentos (mapa da unidade de resposta hidrossedimentológica - HRUSed); (2) a qualidade da modelagem hidrológica com diferentes parametrizações focadas nos processos; (3) uma estratégia de calibração baseada na abordagem de discretização focada em sedimentos para modelagem hidrossedimentológica; (4) o uso de dados de concentração de sedimentos em suspensão (CSS) versus descarga de sedimentos em suspensão (DSS) para calibração; e (5) trade-offs entre aumentar a resolução espacial de um modelo de grande escala e usar a discretização HRUSed proposta. O presente estudo demonstrou: (1) o mapa HRUSed para a América do Sul e (2) um desempenho semelhante de modelagem hidrológica em larga escala usando uma abordagem de discretização hidrológica ou hidrossedimentológica; (3) A abordagem de discretização HRUSed produziu melhores resultados de modelagem hidrossedimentológica; (4) Melhoramos o desempenho do modelo para HRUSed (resultados CSS e DSS) e para HRU (mapa de unidades de resposta hidrológica) apenas para resultados de DSS; e (5) adotar apenas uma discretização espacial mais detalhada falhou em melhorar a representação dos processos. No entanto, o aumento da discretização espacial com uma abordagem de parametrização de processos focada na dinâmica hidrossedimentológica melhorou o desempenho do modelo.Abstract in English:
ABSTRACT The lack of observed data and calibration strategies, scale variability, and difficulties in representing heterogeneity of sediment-processes contribute to the usual challenges in achieving satisfactory results in hydro-sedimentological modeling, particularly when using the MUSLE equation for large-scale applications. As a consequence, we investigated five major topics: (1) a sediment-process-based parameterization technique (Hydro-sedimentological Response Unit map - HRUSed); (2) the quality of hydrological modeling with different process-focused parameterizations; (3) a calibration strategy based on the sediment discretization approach for hydro-sedimentological modeling; (4) the use of suspended sediment concentration (SSC) versus suspended sediment discharge (SSD) data for calibration; and (5) trade-offs between increasing the spatial resolution of a large-scale model and using the proposed HRUSed discretization. The current study demonstrated (1) the HRUSed map for South America and (2) a similar performance of large-scale hydrological modeling using a hydrological or hydro-sedimentological discretization approach. (3) The HRUSed discretization approach produced better hydro-sedimentological modeling results. (4) We improved the model’s performance for HRUSed (SSC and SSD results) and for HRU (Hydrological Response Unit map) only for SSD results. (5) Only more detailed spatial discretization has failed to improve process representation. However, increased spatial discretization with a process-parameterization approach focused on hydro-sedimentological dynamics improved model performance.Abstract in Portuguese:
RESUMO Tem se tornado cada vez mais necessário garantir agilidade e eficácia no monitoramento da qualidade da água. Nesse sentido, o sensoriamento remoto tem se mostrado uma ferramenta eficaz, capaz de tornar esse processo mais rápido e simples. O objetivo do presente estudo é gerar um modelo empírico para mapear espacial e temporalmente a dinâmica da turbidez na Lagoa Mirim, sul do Brasil. Os dados do sensor MSI Sentinel-2A/B foram usados em combinação com os dados de turbidez coletados in situ. Os mapeamentos espaciais e temporais foram realizados na plataforma Google Earth Engine (GEE) aplicando o modelo em imagens mensais (cobertura de nuvens ≤ 20%), em 2019 e 2020. Os valores médios de turbidez observados na lagoa não apresentaram variações significativas; no geral, eles permaneceram entre 30 NTU e 75 NTU. Houve diferença nos níveis de turbidez entre as regiões Norte e Sul da lagoa em alguns meses dos anos investigados. A metodologia aqui aplicada e os resultados observados permitiram analisar o comportamento da turbidez em toda a extensão da Lagoa Mirim e conhecer melhor a qualidade da água nesta importante fonte de água doce.Abstract in English:
ABSTRACT Ensuring prompt and effective water quality monitoring is increasingly important. Remote sensing has been shown to be an effective tool for simplifying and speeding up this process. The aim of this study is to develop an empirical model to map the spatial and temporal dynamics of turbidity in Mirim Lagoon, located in southern Brazil. To achieve this, Sentinel-2A/B MSI sensor data were combined with turbidity data collected in situ. The model was applied to monthly images (with cloud cover ≤ 20%) in 2019 and 2020 using the Google Earth Engine (GEE) platform. Mean turbidity values in the lagoon did not vary significantly, remaining between 30 and 75 NTU overall. However, there were differences in turbidity levels between the northern and southern regions of the lagoon in some months of the investigated years. By applying this methodology and analyzing the results, we were able to better understand the behavior of turbidity throughout the lagoon and gain insights into the quality of this important freshwater source.Abstract in Portuguese:
RESUMO As redes de distribuição de água são projetadas para operar durante um longo período, porém, espera-se que sua capacidade se reduza ao longo do tempo. O grande conjunto de opções que podem ser aplicadas para melhorar sua capacidade, combinado com sua complexidade hidráulica e a busca da solução mais econômica, criam um problema difícil de resolver. Portanto, neste artigo são avaliados os benefícios hidráulicos e econômicos de três estratégias de reabilitação: limpeza de tubos, substituição de tubos e correção de vazamentos. Primeiramente, cada estratégia é avaliada individualmente, e em seguida avaliadas em conjunto em dois estudos de caso, utilizando a minimização dos custos através do algoritmo PSO. Primeiro é avaliada a relação entre o investimento e a redução do déficit de pressão, tentando identificar a melhor estratégia, e em que ponto os benefícios são saturados. Em seguida, é feita a otimização considerando a combinação das três técnicas de intervenção para verificar se há a priorização de alguma das técnicas, e se essa priorização está relacionada com seu desempenho individual. Em termos econômicos e hidráulicos, a substituição de tubos foi a melhor técnica de intervenção, seguida da limpeza de tubulações e do conserto de vazamentos. No caso da substituição, poucas intervenções são suficientes para melhorar significativamente a pressão. Além disso, foi observado que quando as técnicas de intervenção são combinadas, o algoritmo prioriza a soluções conjuntas.Abstract in English:
ABSTRACT Water distribution networks (WDNs) are designed to operate over a long period, however, it is expected that their capacity reduces over time. The large set of options that can be applied to improve their capacity, combined with their hydraulic complexity and the search for the most economical solution create a difficult problem to solve. Therefore, in this paper the hydraulic and economic benefits of three rehabilitation strategies: pipes cleaning, pipe replacement and leakage fixing. were evaluated individually first and then combined into two case studies, through a cost minimization using the PSO algorithm. Initially, the relation between the investment and the reduction in pressure deficit is analyzed for each alternative to identify the best strategy, and at which point the benefits are saturated. Then, an optimization considering the combination of the three intervention techniques is made to verify if there is a prioritization of any technique, and if it is related with the individual performance. in economic and hydraulic terms pipe replacement was the best intervention technique, followed by pipe cleaning and leak repair. For substitution, few interventions are sufficient to significantly improve the pressure. Moreover, it was observed that in the intervention - combined, the algorithm prioritizes joint solutions.Abstract in Portuguese:
RESUMO Microplásticos (MPs) estão presentes em sedimentos superficiais depositados nas ruas das cidades como resultado do escoamento de águas pluviais. O objetivo deste estudo foi determinar a abundância e as característica com base no tamanho, forma e cor dos MPs em sedimentos superficiais depositados pelo do escoamento de águas pluviais da cidade de Madeán nos Andes peruanos. Amostras de sedimentos superficiais foram coletadas em triplicata em cada um dos oito locais amostrados. Os sedimentos são depositados em alguns trechos das ruas do centro povoado devido ao efeito do escoamento das águas pluviais. Em seguida, em laboratório, foi realizada a separação dos MPs do sedimento pelo método de separação por densidade com solução de NaCl. Os oito pontos de amostragem apresentaram MPs no centro povoado com valor de 292,91 ± 149,32 (Itens de MPs/Kg de sedimento), mas houve diferenças significativas na abundância de MPs entre os pontos de coleta. As características de tamanho predominantes dos MPs foram SMP (pequenos microplásticos) (50,95%) e LMP (grandes microplásticos) (49,05%), da forma: fibra (60,66%) e fragmento (38,39%) e da cor: azul (29,86%), preto (25,59%) e vermelho (23,22%), respectivamente. A seguinte investigação quantifica sugere que os resíduos sólidos não estão sendo adequadamente gerenciados ao encontrar a presença de MPs nos sedimentos que estão nas valas das ruas.Abstract in English:
ABSTRACT Microplastics (MPs) are present in surface sediments deposited on city streets as a result of stormwater runoff. The objective of this study was to determine the abundance and characteristics of MPs in surface sediments deposited by stormwater runoff from the village of Madeán in the Peruvian Andes based on size, shape, and color. Surface sediment samples were collected in triplicate at each of the eight sample sites. The sediments were deposited in some parts of the streets of this village due to the effect of rainwater runoff. The separation of MPs from the sediment was carried out in the laboratory by the density separation method with NaCl solution. The eight sampling sites in Madeán presented 292.91 ± 149.32 (MP Items/Kg of sediment) of MPs, showing significant differences in the abundance of MPs among the different sampling sites. The predominant characteristics of the MPs were small size (SMP) (50.95%) and large size MPs (LMP) (49.05%), being fiber (60.66%) and fragmented (38.39%) in morphology, and blue (29.86%), black (25.59%), and red (23.22%) in color, respectively. The following investigation suggests that solid waste is not being adequately managed by finding the presence of MPs in the sediments that are in the street ditches.Abstract in Portuguese:
RESUMO Este estudo aplica um modelo hidrodinâmico 2-D (CE-QUAL-W2) para simular a dinâmica da qualidade da água em um reservatório tropical localizado em Fortaleza, Ceará, Brasil. Enquanto as chuvas se concentram basicamente no primeiro semestre, esse reservatório recebe esgoto bruto de uma bacia urbana ao longo do ano. Com o intuito de contornar o problema de escassez de dados, simplificações do modelo são justificadas e diversos ajustes são realizados, de forma que apenas os parâmetros temperatura (T), oxigênio dissolvido (DO), clorofila a (Cla) e fosfato (PO4) sejam mantidos no processo de modelagem. Adicionalmente, diferentes suposições são realizadas em relação à evolução temporal das concentrações de entrada do reservatório: valores constantes, variações em degrau e variações lineares. Os resultados indicam que o modelo simplificado pode prever bem as variações sazonais de T, DO, Cla e PO4. O melhor ajuste entre os resultados do modelo e as medições é obtido com a hipótese de variação linear nas concentrações de entrada, seguida pelas hipóteses de valores constantes e variação em degrau. Além disso, os resultados revelam que enquanto PO4 apresenta um comportamento de mistura completa com um claro aumento na concentração da estação chuvosa para a seca, T, OD e Cla apresentam um padrão alternado de estratificação-desestratificação durante o dia-noite, mas sem variações relevantes ao longo do ano. As simulações do modelo para diferentes cenários também indicam uma redução significativa de Cla no segundo semestre, mas a redução da carga externa tem um maior impacto nos resultados do modelo do que a variabilidade hidroclimática. A abordagem de modelagem desenvolvida no presente estudo é proposta como uma maneira simples de lidar com a escassez de dados, poluição urbana e sazonalidade hidroclimática em reservatórios tropicais.Abstract in English:
ABSTRACT This study applies a 2-D hydrodynamic model (CE-QUAL-W2) for simulating water quality dynamics in a tropical reservoir located in Fortaleza, Ceará, Brazil. While rainfall concentrates basically in the first semester, this reservoir receives untreated sewage from an urban catchment throughout the year. To deal with data scarcity, model simplifications are justified and several adjustments are carried out, so that only the parameters temperature (T), dissolved oxygen (DO), chlorophyll a (Chla) and phosphate (PO4) are kept in the modeling process. Additionally, different assumptions are performed regarding the time-evolution of reservoir inlet concentrations: constant values, step and linear variations. The results indicate that the simplified model can predict well the seasonal variations of T, DO, Chla and PO4. The best fitting between model results and measurements are obtained with the assumption of linear variation in inlet concentrations, followed by the assumptions of constant values and step variation. Moreover, the results reveal that while PO4 presents a complete mixing behavior with a clear increase in concentration from the wet to the dry season, T, DO and Chla show an alternating stratification-destratification patter during the day-night but without relevant variations throughout the year. Model simulations of different scenarios also indicate a significant reduction in Chla concentration in the second semester, but external load reduction has a stronger impact on model outputs than hydroclimatic variability. The modeling approach developed in the present study is proposed as a simple way to cope with data scarcity, urban pollution and hydroclimatic seasonality in tropical reservoirs.Abstract in Portuguese:
RESUMO Devido à frequente ocorrência de eventos hidrológicos extremos nos regimes de escoamento dos rios da América do Sul, o presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de uma plataforma de monitoramento hidrológico aberta ao público, com um acesso amplo e intuitivo, utilizando recursos de um sistema de informação geográfica online, com o intuito de contribuir para um melhor entendimento acerca do comportamento desses desastres naturais. A plataforma de acompanhamento hidrológico dos rios da América do Sul (SARDIM - South America River Discharge Monitor) foi construída com auxílio de recursos de programação em linguagens como Python e Javascript. Os dados da plataforma são provenientes de resultados de um modelo de simulação hidrológica de escala continental (MGB - South America) que utiliza, entre outras informações, dados de precipitação da missão GPM (Global Precipitation Measurement) e do produto MSWEP (Multi-Source Weighted Ensemble Precipitation). Após uma análise estatística das informações resultantes do modelo, a plataforma é atualizada diariamente de forma operacional com novos dados de permanência e tempo de retorno das vazões dos rios, permitindo a identificação, o acompanhamento e a avaliação da intensidade de eventos hidrológicos extremos na América do Sul.Abstract in English:
ABSTRACT Due to the frequent occurrence of extreme hydrological events in the South American rivers, this work aims to develop a hydrological monitoring platform open to the public, with a wide and intuitive access, using resources of an online geographic information system, in order to contribute to a better understanding of the behavior of these natural disasters. SARDIM (South America River DIscharge Monitor) has been developed using programming resources in languages such as Python and JavaScript. The data of the platform are derived from results of a continental scale hydrological simulation model (MGB - South America) that uses, among other information, precipitation data from the GPM (Global Precipitation Measurement) mission and from the MSWEP (Multi-Source Weighted Ensemble Precipitation) product. After a statistical analysis of the model results, the platform is updated daily and operationally, with new data on the flow duration and the return period of river flows, allowing the identification, monitoring and evaluation of the intensity of extreme hydrological events in South America.Abstract in Portuguese:
RESUMO Para a gestão sustentável das águas subterrâneas, a recarga das águas subterrâneas e o rendimento específico são parâmetros importantes na análise e gestão dos recursos hídricos subterrâneos, e, por vezes, a estimativa destes parâmetros continua a ser um desafio. No presente trabalho, apresenta-se uma combinação de um teste de aquífero com a aplicação do método da variação dos níveis da água (da sigla em inglês WTF) para estimar esses parâmetros e quantificar sua incerteza. A abordagem requer, ao menos, três poços: dois poços de observação instrumentados com sensor de nível para monitoramento de longo prazo e um poço de bombeamento, localizado nas proximidades, para o teste do aquífero. A interpretação do teste foi apoiada pelo software Aqtsolv Demo, obtendo o melhor ajuste com o método proposto por Tartakovsky-Neuman, com um rendimento específico variando em 2σ, entre 9,4 e 10,6%. A recarga da água subterrânea foi estimada pelo método WTF. A incerteza na recarga das águas subterrâneas é obtida pela propagação das incertezas sobre o rendimento específico (inferência bayesiana) e a dinâmica de recessão das águas subterrâneas para o WTF. A maior parte da incerteza sobre a recarga das águas subterrâneas está associada ao rendimento específico. A abordagem foi aplicada no campus da Universidade Federal do Pará, Belém-PA, Brasil. A recarga da água subterrânea foi estimada em 1.078,9 mm, entre 03/set/2020 e 30/set/2021, com uma incerteza associada de 129,5 mm em 2σ, o que equivale a faixa entre 33,9 e 39,8% em relação a precipitação. Pelo uso de instrumentação de custo reduzido e métodos consagrados de interpretação, a replicação de tal abordagem conjunta pode ser encorajada para fornecer estimativas confiáveis de rendimento específico e recarga de água subterrânea em uma região de interesse. Tal condição pode ser útil para reduzir a incerteza preditiva na gestão das águas subterrâneas.Abstract in English:
ABSTRACT For sustainable groundwater management the rate of groundwater recharge and specific yield are both of the most important elements in the analysis and management of groundwater resources, and, sometimes, estimation of these parameters remains a challenge. This research presents a combining approach of the water-table fluctuation method (WTF) with an aquifer test to estimate both and quantify their uncertainty. The methodology requires at least three wells: two instrumented observation wells with a level sensor for long-term monitoring and a pump well located nearby for aquifer testing. The test interpretation was supported by the Aqtsolv Demo software obtaining the best fit with the method proposed by Tartakovsky-Neuman, with a specific yield varying, in 2σ, between 9.4% and 10.6%. Recharge was estimated with WTF, and the uncertainty in recharge is obtained by propagating the uncertainties about the specific yield (Bayesian inference) and the groundwater recession dynamics to the WTF. The uncertainty about recharge stems from uncertainty about the specific yield. The approach was applied on the campus of the Federal University of Pará, Belém, Brazil. Recharge was estimated at 1078.9 mm, from 03/sep/2020 to 30/sep/2021, with an associated uncertainty of 129.5 mm in 2σ, which equates to a range between 33.9 and 39.8% in terms of precipitation. Through the use of cost-effective instrumentation and interpretation methodology, replication of that approach can be encouraged to provide reliable estimates of recharge and specific yield in a site specific. Such condition can be useful to reduce the predictive uncertainty of groundwater management.Abstract in Portuguese:
RESUMO O monitoramento constante da qualidade da água é fundamental para o entendimento dos ambientes aquáticos, mas este esforço demanda grandes investimentos financeiros, além de estar suscetível a inconsistências e falhas na obtenção dos valores. Usando uma base de dados composta por 59 campanhas amostrais, realizadas durante um período de 12 anos, em 10 estações de monitoramento ao longo da bacia do rio Iguaçú, este trabalho apresentou um modelo baseado em redes neurais artificiais que preencheu 1.370 valores para onze parâmetros tradicionais de qualidade da água. Os erros de validação do modelo variaram de 0,978 mg L-1 a 0,017 mg L-1 para os parâmetros tradicionais, enquanto para a cafeína, este erro foi de 0,212 µg L-1 e para os hormônios de 0,04 µg L-1 (E1) e 0,044 µg L-1 (EE1). Duas técnicas (isolamento e anulação) foram aplicadas nos modelos para se entender o relacionamento treinado pelo modelo entre as variáveis de entrada e saída. Os resultados apontam para a viabilidade da aplicação de redes neurais para a modelagem de parâmetros de qualidade da água (em especial, a cafeína), o que poderia levar a uma melhor alocação de recursos no monitoramento ambiental, além de expandir os bancos de dados disponíveis e valorizar os esforços despendidos para este monitoramento.Abstract in English:
ABSTRACT The constant monitoring of water quality is fundamental for the understanding of the aquatic environment, yet it demands great financial investments and is susceptible to inconsistencies and missing values. Using a database composed of 59 sampling campaigns, performed for 12 years, on 10 monitoring stations along the Iguassu River Basin (Southern Brazil), this study presents a model, based on feed-forward neural networks, which imputed 1,370 values for 11 traditional water quality parameters, as well as 3 contaminants of emerging concern (caffeine, estradiol and ethinylestradiol). The model validation errors varied from 0.978 mg L-1 and 0.017 mg L-1 for the traditional parameters, for caffeine the validation error was of 0.212 µg L-1 and for the hormones, the errors were of 0.04 µg L-1 (E1) and 0.044 µg L-1 (EE1). The models underwent two techniques to understand the operations performed within the model (isolation and nullification), which were consistent to those explained by natural processes. The results point to the validity of modeling water quality parameters (especially the concentrations of caffeine) through neural networks, which could lead to better resource allocation in environmental monitoring, as well as improving available datasets and valuing previous monitoring efforts.Abstract in Portuguese:
RESUMO Os registros históricos de precipitação são relevantes para os estudos hidrometeorológicos porque fornecem informações sobre as características espaciais, frequência e volume de precipitação de água em um local específico, portanto, é essencial realizar uma estimativa adequada dos dados faltantes. Esta pesquisa avaliou quatro métodos para estimativa de dados de precipitação faltantes mensalmente em 46 estações de medição no sudoeste da Colômbia, abrangendo os anos de 1983 à 2019. O desempenho dos métodos de Razão Normal (NR), Regressão de Componentes Principais (PCR), Regressão por Mínimos Quadrados Principais (RMQP) e Redes Neurais Artificiais (RNA) foram comparados usando três métricas padronizadas para os erros: Raiz do Erro Médio Quadrático (REMQ), Percentagem BIAS (PBIAS) e Erro Absoluto Médio (EMA). Os resultados com frequência mostraram um melhor desempenho do método ANN não-linear. Com relação aos métodos lineares, o melhor desempenho foi registrado pelo PLSR, seguido pelo PCR. Os resultados sugerem a aplicabilidade do método ANN em regiões com baixa densidade de estações de medição e alta porcentagem de dados faltantes, como o sudoeste da Colômbia.Abstract in English:
ABSTRACT Historical rainfall records are relevant in hydrometeorological studies because they provide information on the spatial features, frequency, and amount of precipitated water in a specific place, therefore, it is essential to make an adequate estimation of missing data. This study evaluated four methods for estimating missing monthly rainfall data at 46-gauge stations in southwestern Colombia covering 1983-2019. The performance of the Normal Ratio (NR), Principal Components Regression (PCR), Principal Least Square Regression (PLSR), and Artificial Neural Networks (ANN) methods were compared using three standardized error metrics: Root Mean Square Error (RMSE), Percent BIAS (PBIAS), and Mean Absolute Error (MAE). The results generally showed a better performance of the nonlinear ANN method. Regarding the linear methods, the best performance was registered by the PLSR, followed by the PCR. The results suggest the applicability of the ANN method in regions with a low density of stations and a high percentage of missing data, such as southwestern Colombia.Abstract in Portuguese:
RESUMO O escoamento turbulento é responsável por diversos danos e falhas nas barragens. Neste artigo, introduz-se uma abordagem para estimar parâmetros característicos do dimensionamento de bacias de dissipação. Os desvios padrão das amostras de pressão de 24 ressaltos hidráulicos foram analisados em todo o eixo longitudinal da bacia de dissipação, e as posições de flutuação de pressão máxima foram identificadas. Em seguida, foram calculadas as pressões médias e extremas que ocorrem nesta posição. Finalmente, estes parâmetros foram plotados em relação ao número de Froude incidente e foram ajustadas curvas aos dados. A posição onde ocorre a máxima turbulência de ressaltos ondulados, fracos e oscilantes varia de acordo com o número de Froude. Ressaltos firmes e fortes são mais propensos a gerarem pressões negativas na bacia de dissipação. As conclusões ampliam o conhecimento sobre quais regiões da bacia de dissipação devem receber atenção especial e como minimizar as chances de danos.Abstract in English:
ABSTRACT Turbulent flow is responsible for a significant portion of damages and failures in dams. This paper sought to introduce novel approaches to the estimation of typical parameters used in the design of stilling basins. The standard deviations of pressure samples of 24 hydraulic jumps were analysed throughout the stilling basin longitudinal centreline, and the positions of maximum pressure fluctuation were identified. Next, mean and extreme pressures occurring at this position were calculated. Finally, these parameters were plotted against the inflow Froude number and curves were adjusted to the data. The position where maximum turbulence of undular, weak and oscillating jumps occurs varies according to the Froude number. Steady and strong jumps are more likely to induce negative pressures on the stilling basin. The findings of this paper broaden the knowledge on which regions of the stilling basin must receive special attention, and on how to minimize the chances of damages.Abstract in Portuguese:
RESUMO O estudo da interação entre estruturas hidráulicas em sistemas fluviais de leito móvel é complexo pois envolve transporte de sedimentos e mudanças dinâmicas nas condições de contorno, sendo necessário o uso de modelos físicos. Este artigo apresenta o procedimento para o desenho e construção de um modelo físico do reservatório e da barragem da Pequena Central Hidroelétrica (PCH) de Salto Paraopeba. Na fase de desenho, foi utilizada a modelagem computacional de transporte de sedimentos para a reconstituição da geometria primitiva do rio, também foram realizadas simulações do regime do escoamento e da capacidade de transporte ao longo do curso do rio; ambos os resultados permitiram delimitar a extensão do modelo. Considerando a escolha da escala e os critérios de semelhança entre o modelo e o protótipo, foi proposto o uso de um novo material alternativo, composto por partículas de borracha de pneu trituradas, de massa específica menor e diâmetro maior do que o sedimento do protótipo. Na fase de construção, foi aplicado um novo método construtivo do modelo físico empregando fibra de vidro, o método apresenta vantagens construtivas como melhor representação da morfologia, menor peso, instalação e desinstalação simples mediante módulos, e reparações simples e rápidas, entre outras.Abstract in English:
ABSTRACT The study of the interaction between hydraulic structures in mobile bed river systems is complex because it involves sediment transport and dynamic changes in the boundary conditions, requiring the use of physical models. This article presents the procedure for the design and construction of a physical model of the reservoir and dam of the Small Hydroelectric Power Plant (SHPP) of Salto Paraopeba. In the design phase, computational modelling of sediment transport was used to reconstitute the primitive geometry of the river, and simulations of the flow regime and the transport capacity along the course of the river were also carried out; both results allowed to delimit the model extension. Considering the choice of scale and the similarity criteria between the model and the prototype, the use of a new alternative material was proposed, composed of crushed tire rubber particles, with a lower specific mass and a larger diameter than the prototype's sediment. In the construction phase, a new constructive method of the physical model was applied using fiberglass, the method presents constructive advantages, such as better representation of the morphology, lower weight, simple installation and uninstallation through modules, and simple and fast repairs, among others.Abstract in Portuguese:
RESUMO O presente estudo teve como objetivo desenvolver uma metodologia para análise da dinâmica e manutenção do serviço ecossistêmico de purificação da água nos corpos hídricos da Região Hidrográfica do Rio Guandu, responsável pelo abastecimento de água da Região Metropolitana do Rio de Janeiro, caracterizada pela presença de baixos níveis de tratamento de efluentes. A dinâmica desse serviço ocorre por meio de um fluxo ecossistêmico, influenciado pelo volume de água que se desloca de uma região para outra. A metodologia consistiu em revisar estudos de fluxos ecossistêmicos, construir um banco de dados, classificar impactos na purificação de água em unidades de planejamento hidrológico a partir de um dendrograma de similaridade, analisar indicadores relacionados à demanda e disponibilidade hídrica dessas unidades e desenvolver um fluxograma ecossistêmico de purificação de água. Os efeitos das transposições na manutenção e no fluxo da purificação da água também foram analisados a partir da comparação entre o cenário real (que considera a presença da infraestrutura hidráulica existente) e o cenário natural (que a desconsidera). Os resultados mostraram que a pior situação de manutenção da purificação da água está na parte oeste da região, e que as demandas por este serviço ecossistêmico exigem mais que o dobro do volume de água captada para abastecer a população local e a indústria.Abstract in English:
ABSTRACT The present study aimed to develop a methodology for analyzing the dynamics and maintenance of the water purification ecosystem service in the water bodies of the Guandu River Hydrographic Region, responsible for water supplying the Rio de Janeiro Metropolitan Region, characterized by the presence of water transfers and low levels of effluent treatment. The dynamics of this service occurs through an ecosystem flow, influenced by the volume of water that moves from one region to another. The methodology consisted of reviewing studies of ecosystem flows, building a database, classifying impacts on water purification in hydrological planning units from a similarity dendrogram, analyzing indicators related to water demands and availability of these units, and developing an ecosystem flow diagram of water purification. The effects of transfers on the maintenance and flow of water purification were also analyzed from the comparison between the real scenario (which considers the presence of the existing hydraulic infrastructure) and the natural scenario (which disregards it). The results showed that the worst situation of maintenance of water purification is in the western part of the region, and the demands for it requires more than double the volume of withdrawn water to supply the local population and industry.Abstract in Portuguese:
RESUMO Sistemas aeradores promovem a inserção adicional de ar no escoamento e podem reduzir a chance de ocorrência de cavitação e consequentes danos nas estruturas hidráulicas. Este trabalho analisa as pressões hidrodinâmicas sobre os degraus de um modelo físico (com inclinação de calha de 53,13º) submetido a diferentes condições de aeração. Comparando-se os resultados com diferentes coeficientes de entrada de ar no escoamento, concluiu-se que a incorporação de ar não altera de forma generalizada todos os parâmetros estatísticos associados às pressões hidrodinâmicas sobre os degraus. Contudo, com a inserção de ar no escoamento, observou-se aumento nos valores mínimos de pressão medidos na região do impacto do jato e logo a jusante. Propõe-se equações empíricas para previsão da distribuição das pressões nos degraus nas condições de aeração induzida, válidas para estruturas cuja razão entre a altura do defletor e a altura dos degraus é igual a 0.167, com sistema aerador instalado no início da calha em degraus.Abstract in English:
ABSTRACT Aerator systems promote additional insertion of air into the flow and can reduce the risk of cavitation and consequent damage to hydraulic structures. This work analyzes the hydrodynamic pressures on the steps of a physical model (with a chute inclination of 53.13º) subjected to different aeration conditions. When comparing the results with different air intake coefficients in the flow, it was concluded that the incorporation of air does not change in a generalized way all the statistical parameters associated with hydrodynamic pressures on the steps. However, with the insertion of air in the flow, there was an increase in the minimum pressure values measured in the region of the jet impact and downstream. Empirical equations for predicting the distribution of pressures on the steps under induced aeration conditions were proposed, valid for structures whose ratio between the height of the deflector and the height of the steps is equal to 0.167, with an aerator system installed at the beginning of the stepped chute.Abstract in Portuguese:
RESUMO A perda de intercepções desempenha um papel importante na divisão da chuva, retendo quantidades significativas de água que seriam direcionadas para o solo. Neste trabalho, o objetivo foi medir a intercepção por vegetação e avaliar os modelos Rutter e Gash para estimar a intercepção em diferentes sistemas de produção de erva-mate. O estudo foi realizado no período de Julho/2019 a Março/2020 no município de Guarapuava, sul do Brasil. Foram monitoradas a chuva total, o escoamento pelo tronco e a precipitação interna em cada evento pluviométrico. Foram aplicados modelos de intercepção de Rutter e Gash. Os resultados da perda por intercepção estimados pelos modelos Rutter e Gash foram considerados satisfatórios e, em geral, subestimaram a perda por intercepção. No sistema de monocultura de erva-mate, foi registrada uma perda média de intercepção de 15,6%, na agrofloresta de erva-mate, 21,4%, e na Floresta Ombrófila Mista nativa, 16,2%. O modelo de Rutter apresentou estimativas próximos da estimativa de interceptação pluviométrica medida para o sistema de monocultura de erva-mate e o modelo de Gash para o sistema agroflorestal e a Floresta Ombrófila Mista nativa.Abstract in English:
ABSTRACT Interception loss plays an important role in rainfall partitioning, retaining significant amounts of water that would be directed to the soil. In this work, the objective was to measure interception by vegetation and evaluate the Rutter and Gash models to estimate the interception in different yerba mate production systems. The study was conducted the period from July/2019 to March/2020 in the municipality of Guarapuava, southern Brazil. The total rainfall, stemflow, and the throughfall were monitored in each rainfall event. Rutter and Gash interception models were applied. The interception losses estimated by Rutter and Gash models were considered satisfactory but, in general, underestimated. In the yerba mate monoculture system, an average interception loss of 15.6% was recorded, in the yerba mate agroforest, 21.4%, and, in the native Mixed Ombrophilous Forest, 16.2%. Rutter's model presented estimates close to the measured rainfall interception estimate for the yerba mate monoculture system and Gash's model for the agroforestry system and the native Ombrophilous Mixed Forest.Abstract in Portuguese:
Resumo Assumir a não estacionariedade em modelos de frequência de cheia ainda é controverso devido à incerteza nas estimativas. Neste estudo, um modelo bayesiano hierárquico para análise de frequência de cheias é apresentado sem assumir a hipótese de estacionariedade. Levamos em consideração incertezas dos dados e do modelo em todas as etapas de modelagem e utilizamos o rio Pardo, Brasil, como estudo de caso. Os resultados mostraram a presença de tendências crescentes nas cheias no rio Pardo. O modelo estacionário subestimou as cheias em comparação com o modelo não estacionário. Os modelos de covariantes de base física tiveram melhor desempenho do que os baseados em tempo, mostrando a importância de adicionar covariantes físicas para explicar o comportamento da tendência. O modelo apresentado é adaptável a outros estudos de caso. Finalmente, este estudo forneceu orientação para a estimativa de recorrência de cheias em condições não estacionárias.Abstract in English:
Abstract Assuming non-stationarity in flood frequency models is still controversial due to uncertainty in estimates. In this study, a hierarchical Bayesian framework for flood frequency analysis is presented without assuming the stationarity hypothesis. We account data and model uncertainty in all modelling steps and use the Pardo River, Brazil, as study case. Results showed the presence of increasing trends in floods in Pardo River. The stationary model underestimated floods compared to the non-stationary model. Physical-based covariates models performed better than time-based showing the importance of adding physical covariates to explain the trend behavior. The presented model is adaptable to other case. Finally, this study provided guidance for the flood recurrence estimation under non-stationary conditions.Abstract in Portuguese:
RESUMO Dentre as principais questões que podem surgir quando da avaliação de estudos de ruptura de barragens em cascata, uma das mais importantes é determinar se uma barragem a jusante poderá entrar em ruptura por efeito de cascata, considerada a hipótese da ruptura preliminar da barragem a montante. Este artigo propõe uma metodologia para avaliar esta necessidade em um par ou conjunto de barragens em cascata. Além disso, este artigo propõe agrupar metodologias de outros pesquisadores em uma sequência para resultar em uma avaliação mais realista nos estudos de ruptura hipotética, como também para propor uma distância segura de novos projetos em relação a uma barragem existente de forma a minimizar a possibilidade de uma ruptura em cascata.Abstract in English:
ABSTRACT Among the main issues that may arise when evaluating studies of cascade dam ruptures, perhaps the most important, is to determine if the downstream dam can start into a cascade rupture, considering the hypothesis of the preliminary rupture of the upstream dam. This paper proposes a methodology to determine if a pair or a group of dams can fail in a cascade, suggesting a safe distance between them to avoid this effect. Additionally, this paper proposes a reunion with other researchers' methodologies in a step-by-step sequence, identifying when a cascade dam break is likely and should be included in the hypothetical dam break studies.Abstract in Portuguese:
RESUMO Cenários climáticos fornecem informações importantes para o planejamento de recursos hídricos. Contudo, eles mostram inconsistências com mudanças climáticas recentes em alguns casos, o que afeta sua robustez e confiabilidade. A avaliação de robustez pode auxiliar na identificação de áreas prioritárias na adaptação de recursos hídricos a mudanças climáticas. Mesmo sendo relevante, esse tipo de análise tem sido menosprezado em avaliações de mudanças climáticas, por exemplo, na América do Sul. Nesse estudo, avaliamos a robustez e confiabilidade de cenários de alteração de vazão os comparando com dados observados e modelados recentes. Projeções climáticas são mais prováveis de acontecer em regiões que mostram concordância entre mudanças recentes e projetadas, logo, a gestão deve dar mais peso aos cenários nestes locais. As bacias Tocantins-Araguaia, São Francisco, Atlântico Ocidental e do Prata (porção norte) concordam com o decréscimo de vazão, indicando que a mudança climática deve ser priorizada no planejamento. As bacias Orinoco e Amazônica mostraram forte discordância entre alterações recentes e projetadas de vazão, com tendências de aumento nas últimas décadas. Isso mostra que cenários futuros nessas regiões devem ser interpretados com cuidado. Sendo assim, a gestão de recursos hídricos poderia considerar que as regiões noroeste e alto-central da América do Sul apresentam projeções mais prováveis em comparação com as bacias Amazônica e Orinoco.Abstract in English:
ABSTRACT Climate scenarios are important information for water planning, but, in some cases, they disagree with recent climate alterations, which affects their robustness and reliability. Robustness evaluation can help identifying areas that should be prioritized by in water sector adaptation to climate change. Although crucial, this kind of analysis has been overlooked in most climate change assessments, for instance in South America. This study assesses the robustness and reliability of river discharge scenarios by comparing them with observed and modelled data. Areas where current changes and scenarios agree are more likely to experience changes and, therefore, water planners should pay special attention to them. Tocantins-Araguaia, São Francisco, Western Northeast Atlantic and upper La Plata basins agreed with a discharge decrease, indicating that climate change should be prioritized in planning. Orinoco and upper-western Amazon basins showed strong disagreement between recent and projected discharge alterations, with positive change in last decades, showing that scenarios in these regions should be carefully interpreted. With this, water planners could interpret Northeastern and upper-central South America as presenting more likely scenarios in comparison to Amazon and Orinoco basins.Abstract in Portuguese:
RESUMO As metodologias de determinação da vulnerabilidade de aquíferos são atualmente utilizadas como ferramentas de auxílio às propostas de proteção das águas subterrâneas, associadas às atividades de gestão de recursos hídricos e de planejamento e ordenamento territorial. Nesse contexto, este estudo teve como objetivo a avaliação da vulnerabilidade natural de sistema aquífero subterrâneo de interesse localizado no município de Ananindeua, estado do Pará. Para tal, foram executadas as seguintes atividades: levantamento e sistematização de informações pertinentes aos poços existentes no município de Ananindeua/PA; determinação dos parâmetros constituintes do método GOD e das grandezas hidrogeológicas condutividade hidráulica e transmissividade; extrapolação das informações pontuais para toda a área de interesse visando à espacialização de zonas homogêneas por grau de vulnerabilidade e, por fim, a hierarquização de áreas de interesse para implantação de sistemas de saneamento básico. Com a realização do presente estudo, verificou-se que a maior parte da área de interesse possui sistema aquífero enquadrado como não confinado, extratos litológicos mistos e distância do topo ao nível freático menor do que 20 metros. Essas informações, associadas ao padrão de uso e ocupação do solo na localidade, embasado pelo estudo das grandezas hidrogeológicas, permite o subsídio à tomada de decisão quanto à alocação mais adequada de investimentos preventivos com infraestrutura de saneamento básico, a fim de minimizar ou anular os riscos associados de contaminação na referida área. Entretanto, para melhor subsídio à eficiente tomada de decisão dos gestores públicos e das ações dos demais atores sociais envolvidos no uso e no gerenciamento das águas subterrâneas na localidade, deve-se ter o aporte de outras informações e estudos complementares.Abstract in English:
ABSTRACT The methodologies for determining aquifer vulnerabilities are currently used as tools to support proposals for the groundwater protection, associated to water management resources and planning and territorial ordination activities. In this context, the objective of this present work is the vulnerability assessment of an aquifer system of interest located in the municipality of Ananindeua, the state of Pará. To this end, the following activities were executed: survey and systematization of pertinent information to existing wells in the municipality of Ananindeua-PA; determination of the constituent parameters of the GOD method and the hydrogeological values of hydraulic conductivity and hydraulic transmissivity; extrapolating the pertinent information for all the interest area aiming the spatialization of homogeneous zones by degree of vulnerability e, finally, the hierarchization of locations for the implementation of water supply systems. With the completion of this present work, it was verified that most part of the area of interest has an aquifer system classified as unconfined, mixed lithological extracts and distance from the top to the water table less than 20 meters. These information, associated with the pattern of land use and occupation, based on the study of hydrogeologic values, enables the subsidy for decision-making regarding the most appropriate allocation of preventive investments with basic sanitation infrastructure, in order to minimize or nullify the associated risks of contamination in the referred area. However, to a better support for an efficient decision-making from the public managers and the actions of other social actors involved in the use and management of groundwater in the locality, it must be provided other information and complementary studies.Abstract in Portuguese:
RESUMO A operação de Sistemas Hídricos Urbanos (SHU) é permeada por incertezas, e frequentemente depende de grandes montantes de investimento, além de exigir o planejamento a longo prazo em contextos futuros com mudanças constantes e alto grau de imprevisibilidade (mudanças climáticas, fatores sociais e econômicos). Vários desses fatores de incerteza carecem de representações analíticas, tampouco contam com amplo consenso entre especialistas acerca da influência que exercem na performance de SHU. A literatura internacional se refere a esse tipo de incerteza como incertezas profundas (DU). Este trabalho propõe uma abordagem generalista para incorporar a influência de incertezas profundas na gestão e planejamento de três categorias de SHU: 1) Sistemas de Abastecimento de Água; 2) Sistemas de Drenagem; 3) Sistemas de Aproveitamento de Água de Chuva. A abordagem proposta define etapas para seleção das políticas mais adequadas para cada sistema e para avaliação dessas estratégias em uma ampla gama de cenários. As particularidades de cada sistema levam a ajustes na estrutura geral da abordagem proposta. A abordagem foi aplicada para um Sistema de Aproveitamento de Água de Chuva na cidade de Ipameri no estado de Goiás, Brasil. Os resultados destacam a influência dos fatores de DU no desempenho dos sistemas e atestam a contribuição da metodologia para o planejamento adaptativo de SHU.Abstract in English:
ABSTRACT Urban Water Systems (UWS) operate under a broad list of uncertainties. They usually depend on large amount of investments requiring long-term planning for a future full of changes with high degree of uncertainties (climate, social and economic). Many of these uncertainties do not have analytical representation neither they count on agreement among experts or decision makers concerning their influence in the performance of the UWS. The literature has named these changes as deep uncertainties (DU). This work presents a general approach to incorporate the influence of DU on planning and management processes of three types of UWS: 1) Water Supply Systems; 2) Drainage Systems and 3) Rainwater Harvesting Systems. The proposed framework defines steps toward the selection of the best policies and their evaluation in a broad set of scenarios. The particularities of each urban system led to adjustments in some steps of the general methodology. The approach proposed in this work was applied to a practical case, the Rainwater Harvesting Systems in the city of Ipameri, located in the State of Goiás, Brazil. The results highlight the impacts of DU factors on the system performance and reinforce this type of approach as a contribution towards adaptive planning for UWS.Abstract in Portuguese:
RESUMO Durante vertimentos voluntários e involuntários o total de gás dissolvido (TDG) aumenta e pode causar a doença da bolha em peixes. Elevada concentração de TDG em usinas ocorrem quando as bolhas de ar são carregadas pelo fluxo de água e transportadas para o fundo da bacia, que devido a alta pressão faz com que as bolhas sejam dissolvidas. Uma alternativa para reduzir a concentração de TDG é construir defletores no vertedor. Na UHE Colíder foram construídos quatro defletores no vertedor, uma em cada vão. Para auxiliar no projeto deste defletor foram realizados dois estudos: o primeiro em modelo hidráulico reduzido e no segundo foi elaborada uma modelagem matemática utilizando o OpenFoam.Abstract in English:
ABSTRACT During voluntary or involuntary spills, the total dissolved gas (TDG) may increase with potential of causing gas bubble disease (GBD) in affected fish. Bubbles entrained during spill events in Colider are transported by plunging jets to deep, high pressure, regions in the tailrace where dissolution is enhanced increasing TDG concentrations. The most common alternative to minimize TDG supersaturation downstream of hydropower dams is to install deflectors on the spillway face. In order to reduce TDG levels downstream of the Colider's spillway, Copel retrofitted the four spillway bays with deflectors, finalizing the construction in November 2021. The design of the deflectors were assisted with two studies. The first study comprised the development of a physical model in 1:60 scale, and other study was a numerical model based on the open-source toolbox OpenFoam.Abstract in Portuguese:
RESUMO A segurança de uma barragem depende fortemente da estrutura organizacional, da filosofia do empreendedor e da responsabilidade técnica dos atores envolvidos. Neste contexto, a presente pesquisa teve como objetivos: apresentar o conceito de Engenheiro de Registro (EoR); discutir sua influência na melhoria contínua da segurança; propor um plano de trabalho para este profissional, aplicável às barragens de acúmulo de água e estimar os custos associados à sua equipe. Considerando que as barragens de mineração têm enfrentado acidentes recentes, as leis e metodologias de segurança são mais rigorosas para estas estruturas. Portanto, com base nesta experiência, propôs-se uma lista de ações para o EoR, especificamente voltada para barragens de acúmulo de água, dividida em duas etapas: a primeira, para atendimento da Política Nacional de Segurança de Barragens (NDSP); e a segunda, voltada à melhoria contínua da segurança dessas estruturas. Adicionalmente, realizou-se uma estimativa de custos, chegando ao valor de R$ 0,15 por m3 consumido para a implantação de uma equipe de EoR.Abstract in English:
ABSTRACT The dam safety depends heavily on the organizational structure, the developer’s philosophy, and the involved actor’s technical responsibility. In this context, the present research aimed to: introduce the concept of Engineer of Record (EoR); discuss their influence on the continuous improvement of dam safety, propose a work plan for this professional applicable to water storage dams, and estimate the costs associated with their team. Since mining dams have experienced recent accidents, safety laws, and methodologies are more stringent for these structures. Therefore, based on this experience, a list of actions for the EoR was proposed, targeted explicitly at water storage dams, divided into two stages: the first to comply with the National Dam Safety Policy (NDSP); and the second focused on the continuous improvement of the safety of these structures. Additionally, a cost estimate was conducted, resulting in a value of $ 0.15 per m3 consumed for implementing an EoR team.Abstract in Portuguese:
RESUMO O objetivo deste trabalho foi simular o uso conjunto de águas superficiais e subterrâneas nas bacias hidrográficas que abastecem o sistema urbano-rural do município de São Carlos no Brasil e avaliar o impacto de cenários de mudanças climáticas. O modelo WEAP foi simulado e calibrado para simular o uso integrado dos dois tipos de recursos nas bacias. Os resultados do modelo foram usados para avaliar seis cenários futuros e estimar o impacto na disponibilidade de água para atender às demandas de água do sistema. Foram utilizados dados do modelo climático regional da Eta e o resultado foi avaliado por meio da análise das curvas de duração do fluxo e do nível do aquífero para o período 2007-2050. Os cenários climáticos simulados indicam que a pressão sobre as águas subterrâneas na área pode representar um desafio devido ao esgotamento progressivo dos recursos, afetando a sustentabilidade do sistema.Abstract in English:
ABSTRACT This study aimed to simulate the joint use of surface water and groundwater in the urban-rural basins of the municipality of São Carlos and evaluated the impact of climate change scenarios in the system. A calibrated WEAP model is employed with 5 km resolution climate model data from the CPTEC - PROJETA project with the future scenario of RCP85 and RCP45 from 2007 to 2050. This system is utilized to create various future scenarios of groundwater and surface-water abstraction of public water supply, industrial and private demands, with combination of conjunctive use 50-50% of both type of resources and 100% from one them. Results were assessed by analyzing the flow duration curves and the level of the aquifer for the 2007-2050 period. The simulated climatic scenarios indicate that the pressure over groundwater in the area could represent a challenge due to the progressive depletion of the resources affecting the system sustainability, the flow of the main rivers with the 95% percentile presents a reduction of 20% in some cases. This modelling approach can be used in other river basins to manage scenarios of supply and demand.Abstract in Portuguese:
RESUMO Garantir o cumprimento dos padrões mínimos de qualidade de água estabelecidos por lei exige medidas estratégicas na bacia afluente. A modelagem da poluição de água serve como ferramenta para orientar a formulação de estratégias eficazes de controle de poluição. No entanto, a complexidade inerente à calibração, à variabilidade espacial-temporal e a incerteza, aliadas ao repasse ineficaz de informações técnicas para os tomadores de decisão, dificultam não apenas a priorização se não a própria efetivação das ações e aplicação dos recursos eficientemente. Sendo assim, este estudo apresenta o desenvolvimento de um Web-GIS que reúne os principais resultados das modelagens hidrológicas para conceder uma visão interativa da bacia do Rio Paranapanema no sul do Brasil. O sistema supera a dificuldade de apresentação de resultados científicos para o gestor, reunindo e harmonizando conjuntos de dados diversos. Combinando informações da bacia hidrográfica, estimativas de carga de poluentes para três substâncias (fósforo, nitrogênio e DBO), as concentrações resultantes em rios e reservatórios, bem como os resultados para diferentes cenários futuros em uma plataforma unificada. Espera-se que a tomada de decisão em relação ao enquadramento de corpos d'água seja facilitada pela identificação das principais fontes e vias de poluição, priorizando as bacias com maior produção de carga e determinando possibilidades realistas de redução da carga por meio de medidas eficazes.Abstract in English:
ABSTRACT Ensuring compliance with the minimum Water Quality Standards stipulated by law demands the implementation of strategic measures within the watershed. Water pollution modeling serves as a tool to guide the formulations of effective pollution control strategies. However, the inherent complexity of calibration, spatial-temporal variability, and uncertainty, in addition to effective communication of technical information to decision makers, makes it challenging to prioritize actions, implement them, and allocate resources efficiently. This paper presents the implementation of a Web-GIS for decision making support which combines collaborative hydrological and hydrodynamic modeling results with an interactive visualization of the Paranapanema river basin in the South of Brazil. The Web-GIS aimed to overcome the difficulty of presenting scientific results to decision-makers, gathering and harmonizing diverse datasets. Combining information from the watershed, the pollutant loads estimations for three substances (phosphorus, nitrogen, and BOD), the resulting concentrations in rivers and reservoirs, as well as the results for different future scenarios into a unified platform. It is expected that decision-making regarding water bodies framework will be facilitated by identifying the primary sources and pathways of pollution, prioritizing basins with the highest load production, an determining realistic possibilities of load reduction through effective measures.Abstract in Portuguese:
RESUMO Apesar de benefícios como segurança hídrica e fornecimento de energia que barragens garantem, há impactos ambientais e riscos de acidentes associados ao seu uso, como o rompimento. Nesses casos, um Plano de Ação de Emergência (PAE) estruturado deve ser executado para mitigar os impactos ambientais e a perda de vidas. Para tanto, cenários hipotéticos de rompimento devem ser simulados para obter a mancha de inundação no vale a jusante. Nesse sentido, este trabalho teve como objetivo obter a mancha de inundação da ruptura hipotética das barragens Jacarecica I e Jacarecica II (estado de Sergipe), estruturas que não possuem Planos de Segurança elaborados. O modelo 2D HEC-RAS foi utilizado para elaborar as manchas de inundação e avaliar os resultados hidrodinâmicos, que mostraram que a onda de ruptura impacta áreas residenciais, industriais e agrícolas antes de atingir a cidade de Riachuelo, com altas profundidades e velocidades, e tempos de chegada mínimos de 6 horas. Com áreas rurais e urbanas em risco, é obrigatório, segundo a PNSB, que os PAEs das barragens sejam elaborados.Abstract in English:
ABSTRACT Despite of benefits such as water security and energy supply dams provide, there are environmental impacts and risks of accidents associated with their usage, i.e. rupture. In these cases, a structured Emergency Action Plan (EAP) must be executed to mitigate impacts and loss of life. To do so, hypothetical dam break scenarios must be simulated to obtain the flood’s spatial coverage in downstream valley. In this regard, this work aimed to obtain the flood maps due to hypothetical ruptures of Jacarecica I and Jacarecica II dams (state of Sergipe), structures that don’t have Safety Plans elaborated. HEC-RAS 2D model was used to elaborate flood inundation maps and assess hydrodynamic results, that showed the breach wave impacts residential, industrial and agricultural areas before reaching the city of Riachuelo, with high depths and velocities, and minimum arrival times of 6 hours. With rural and urban areas at risk, it is mandatory, according to the PNSB, that the dams’ EAPs are prepared.Abstract in Portuguese:
RESUMO Trinta e cinco amostras de água subterrânea do aquífero foram coletadas e analisadas para os principais cátions e ânions para entender a química e os processos hidroquímicos das águas subterrâneas no aquífero Egbako. Estudos laboratoriais identificaram os íons majoritários, enquanto os resultados foram analisados usando diferentes métodos gráficos e gráficos iônicos. A abundância dos cátions e ânions majoritários foram, respectivamente, Ca2+>K+>Na+>Mg2+ e HCO3->NO3->Cl->SO42-. As fases hidroquímicas dominantes são os tipos de água bicarbonato de cálcio (Ca-HCO3), bicarbonato de sódio (Na-HCO3) e bicarbonato de cálcio e sódio misto (Ca-Na-HCO3). A interpretação de gráficos bivariados e de dispersão indica o intemperismo do silicato, a dissolução simples e a troca iônica como os processos dominantes no aquífero. Os índices de saturação revelam subsaturação de evaporitos (halita, gesso e anidrita), supersaturação na maioria das amostras em relação aos silicatos (quartzo e caulinita) e poucas amostras de carbonato (calcita, aragonita, dolomita). A avaliação da qualidade da água indica que elas são quimicamente adequadas para o consumo humano, exceto nos campos agrícolas das áreas do sudoeste, onde há alta concentração de nitrato.Abstract in English:
ABSTRACT Thirty-five groundwater samples from the aquifer were collected and analyzed for major cations and anions to understand the groundwater chemistry and hydrochemical processes in the Egbako aquifer. Laboratory studies identified the major ions while the results were analyzed using different graphical methods and ionic plots. The abundance of the major cations and anions are Ca2+>K+>Na+>Mg2+ and HCO3->NO3->Cl->SO42- respectively. The dominant hydrochemical facies are calcium-bicarbonate (Ca-HCO3), sodium-bicarbonate (Na-HCO3) and mixed calcium-sodium bicarbonate (Ca-Na-HCO3) water types. Interpretation of bivariate and scatter plots indicate silicate weathering, simple dissolution and ion exchange as the dominant processes in the aquifer. Saturation indices reveals evaporites (halite, gypsum and anhydrite) undersaturation, supersaturation in most samples with respect to silicates (quartz and kaolinite) and few samples for carbonate (calcite, aragonite, dolomite). Assessment of the water quality indicate that they are chemically suitable for human consumption except in the agricultural fields of southwestern areas where high nitrate concentration is present.Abstract in Portuguese:
RESUMO O objetivo deste trabalho foi avaliar a contribuição da carga orgânica o Igarapé Tucunduba. Os dados foram coletados durante 12 h, com análises contínuas para variáveis físicas e a cada 3 h para físico-químicas. O perfil da seção transversal e a vazão foram medidos usando Accustic Doppler Current Profile e a carga de matéria orgânica estimada usando equações. Foram verificados três períodos distintos de vazões, sendo dois regidos pela hidrodinâmica do estuário do rio Guamá e outro pelo fluxo unidirecional do Igarapé Tucunduba para o estuário do rio Guamá. A carga orgânica de demanda bioquímica de oxigênio (0,03 kg d-1 – 0,07 kg d-1) produzida na bacia é maior do que a contribuição do estuário do rio Guamá. O estuário do rio Guamá exerce um efeito positivo nesta bacia por dispersar as cargas orgânicas produzidas e por auxiliar sua capacidade de autodepuração.Abstract in English:
ABSTRACT The objective of this study was to evaluate the contribution of the organic load to Tucunduba Igarapé. The data were collected over 12 h for continuous analysis of physical variables, and every 3 h for physicochemical analysis. The cross-sectional profile and flow rate were measured using an accustic doppler current profile, and the load of organic matter was estimates using equations. Three distinct flow periods were verified, two of which were governed by the hydrodynamics of the Guamá River estuary and the other by unidirectional flow from Tucunduba Igarapé to the Guamá River estuary. The organic loads of biochemical oxygen demand (0,03 kg d-1 – 0,07 kg d-1) produced in Igarapé is greater than the contributions from the Guamá River estuary. The Guamá River estuary exerts a positive effect on the Igarapé by dispersing the produced organic loads and aiding its capacity for self-purification.Abstract in Portuguese:
RESUMO A degradação dos rios urbanos é um fenômeno causado por praticamente todas as cidades com rios que as cruzam, e atualmente há um grande número de projetos de revitalização, no entanto a sua execução requer grandes investimentos, em especial, para melhoria da qualidade d´água. E além do custo a falta de espaço em suas margens limita a instalação de sistemas de melhoramento. Neste estudo, é proposto um método simplificado para avaliar a viabilidade técnica de intervenções de revitalização em trechos urbanos de rios, abordando melhorias na qualidade da água e na experiência de uso. O método é estruturado em etapas sequenciais: condução de análises hidráulicas, hidrológicas e sanitárias da bacia; formulação de premissas e estratégias de intervenção no leito do rio; avaliação da compatibilidade entre as propostas e as características da calha fluvial; avaliação global da viabilidade do projeto de revitalização. A validação do método foi realizada através de um estudo de caso no Arroio Dilúvio em Porto Alegre – RS, onde se evidenciou sua consistência e aplicabilidade em conformidade com as premissas estabelecidas. O método emerge como uma ferramenta de apoio à tomada de decisão preliminar em projetos de requalificação de rios urbanos, oferecendo a capacidade de identificar requisitos satisfeitos e direcionar escolhas informadas.Abstract in English:
ABSTRACT The degradation of urban rivers is a phenomenon caused by virtually all cities intersected by rivers. Currently, there is a substantial number of revitalization projects in progress. Nonetheless, their execution demands significant investments, particularly for water quality enhancement. Moreover, apart from the cost factor, the scarcity of space along their banks constrains the implementation of improvement systems. This study introduces a simplified methodology aimed at evaluating the technical feasibility of revitalization interventions within urban river segments, with a focus on enhancing water quality and user experience. The method follows a structured framework encompassing four sequential phases: execution of hydraulic, hydrological, and sanitary analyses concerning the watershed; development of foundational principles and intervention strategies pertaining to the riverbed; appraisal of the congruence between proposed interventions and the intrinsic attributes of the river channel; comprehensive assessment of the overall viability of the revitalization initiative. The method's validation was conducted through a case study involving the Dilúvio Stream in Porto Alegre, RS, showcasing its coherent application and adaptability within the predetermined premises. Thus, the methodology emerges as a preliminary decision-making support tool for projects related to the urban river requalification domain, facilitating the identification of met prerequisites and provision of informed guidance.Abstract in Portuguese:
RESUMO O sistema de aproveitamento de águas da chuva, concebido para usos da água não-potáveis, pode ser útil no controle da geração de escoamentos superficiais. Para avaliar isto, intervalos de tempo sub-diários no monitoramento e simulações contínuas são ferramentas importantes. Portanto, este artigo mostra a avaliação do desempenho do sistema de aproveitamento de águas da chuva, tanto para controle do escoamento superficial de um telhado (vazão máxima e volume) como para atender a demanda de água, a partir de dados obtidos em um aparato de monitoramento e também de simulação contínua utilizando dados discretizados com passo de tempo de 1minuto. O modelo SWMM foi calibrado e validado para um telhado e para o aparato de monitoramento, no período monitorado de 2018 a 2019. Posteriormente, foram realizadas simulações contínuas utilizando séries temporais de precipitação, evaporação e de demanda, de quase sete anos (2014-2020). Os resultados mostraram que o controle é influenciado pela ação combinada do dispositivo de descarte das primeiras águas e do regime pluviométrico, tendo sido maior na vazão máxima do que no volume.Abstract in English:
ABSTRACT A rainwater harvesting system, designed for non-potable water uses, can be helpful for runoff generation control. To evaluate this, sub-daily time steps for monitoring and continuous simulations are important tools. Therefore, this paper shows a performance assessment of a rainwater harvesting system for both roof runoff control (maximum flow rate and drained volume) and to meet water demand, from data obtained in a monitoring apparatus and also from continuous simulation using 1-minute time steps data. The model SWMM was calibrated and validated for both a roof and a monitoring apparatus during the monitored period 2018-2019. Thereafter, continuous simulations were accomplished using rainfall, evaporation, and demand time series. For this stage, data satisfied nearly seven years (2014-2020) containing one-minute time step values. Results have shown the control is influenced by the combined action of the first-flush diverter and rainfall regime and was shown to be greater at maximum flow rate than volume.Abstract in Portuguese:
RESUMO As alterações da qualidade da água são reflexo das dinâmicas de usos da água e do solo de uma bacia e é um desafio medi-las apropriadamente, especialmente quando se olha para variáveis bastante distintas, como os constituintes tradicionais da matéria orgânica e os compostos emergentes. Apesar de o monitoramento ser essencial para um planejamento adequado dos recursos hídricos e estratégias de gestão, uma abordagem metodológica abrangente é, em geral, demorada e cara, o que desencoraja o tomador de decisão a fazê-lo. O objetivo deste estudo foi identificar os parâmetros de qualidade da água mais representativos de uma bacia urbana crítica, incluindo concentrações de compostos emergentes. Os resultados destacaram a DBO e as séries de nitrogênio e fósforo como parâmetros químicos; e, condutividade, turbidez e sólidos dissolvidos totais como físicos. Concluiu-se que esses parâmetros representam os usos do solo e da água da bacia e podem contribuir para a definição de um monitoramento mais efetivo, subsidiando a tomada de decisão, o planejamento e a gestão.Abstract in English:
ABSTRACT Changes in water quality are a consequence of water and land use dynamics. Measuring these relationships is challenging, especially when looking at distinct variables such as traditional organic matter constituents and emerging compounds. Although monitoring is necessary for proper water resource planning and management strategies, a comprehensive methodological approach is in general time-consuming and costly, which discourages decision-makers. The goal of the study was to establish consistent water quality elements based on a statistical analysis to identify the most representative parameters of a critical urban basin. The results highlighted BOD, nitrogen, and phosphorus series as chemical representative parameters; and conductivity, turbidity, and total dissolved solids as the physical parameters. In this context, these parameters represent the most significant uses of the studied area and define a more effective monitoring system that will subsidize decision-making and water resources planning and management.Abstract in Portuguese:
RESUMO Eventos extremos de seca prolongada podem intensificar os sintomas de eutrofização. O objetivo deste estudo foi analisar o estado trófico de dois reservatórios semiáridos (Cruzeta e Dourado) que sofrem constantes períodos de seca e reinundação, verificando as mudanças limnológicas. Dois períodos foram definidos: Período I - antes do esgotamento da água e Período II - após a renovação da água. Para verificar as alterações das variáveis limnológicas e do estado trófico após a reinundação foi realizado teste de Wilcoxon, Correlação de Pearson e análise de cluster. Os reservatórios apresentaram resultados diferentes nas variáveis limnológicas, apesar de cenários hidrometeorológicos semelhantes. Cruzeta manteve o estado eutrófico em ambos os períodos, devido ao efeito da seca prolongada, o reservatório se encontrava com apenas 2% do seu volume. Dourado passou de mesotrófico para eutrófico. A aceleração da eutrofização pode ter ocorrido devido à existência de matéria orgânica no sedimento, proveniente de plantios no interior do reservatório, além de fósforo carreado da bacia de drenagem e por carregamento interno. A reinundação não melhorou as condições de qualidade da água e pode intensificar a eutrofização. Portanto, recomendamos práticas eficazes de gestão de reservatórios e bacias de drenagem para mitigar a eutrofização, visando melhorias na qualidade da água.Abstract in English:
ABSTRACT Prolonged drought extreme events can intensify eutrophication symptoms. This study aimed to analyze the trophic state of two semiarid reservoirs (Cruzeta and Dourado) that experience regular periods of drying and reflooding, verifying limnological changes. Two distinct periods were defined: Period I - before water depletion and Period II – after water renewal. To assess the changes in the limnological variables and the trophic state following the reflooding was conducted Wilcoxon test, Pearson's Correlation, and cluster analysis. Despite similar hydro-meteorological conditions, the reservoirs exhibited different outcomes in limnological variables. Due to the prolonged drought, Cruzeta maintained the eutrophic state in both periods, with the reservoir retaining only 2% of its water volume. In the Dourado reservoir, the trophic state change was observed, shifting from mesotrophic to eutrophic. The acceleration of eutrophication may have occurred due to the existence of organic matter in the sediment, coming from plantations inside the reservoir in addition to phosphorus carried from the drainage basin and by internal loading. Thus, reflooding did not improve water quality conditions and may intensify eutrophication. Therefore, it is recommended that effective reservoir and drainage basin management practices be implemented to mitigate eutrophication and aim for improvements in water quality.Abstract in Portuguese:
RESUMO Para uma gestão eficiente da conservação da água e do solo, os aspectos de qualidade e quantidade devem ser integrados. No entanto, ainda faltam estudos com essa sinergia incluindo o processo de governança. Avaliamos aspectos de quali-quantidade (2010-2019) por 10 anos em um manancial de abastecimento de água e a implementação de Pagamentos por Serviços Ambientais (PSA), para entender a eficiência da política pública na área ambiental e seus efeitos sobre os recursos hídricos. O processo de governança foi investigado e análises estatísticas usadas para comparação de médias, análises gráficas (tendências, série temporal, curva de permanência, desvio padrão), correlação e multivariada para avaliar o comportamento dos parâmetros, após implementação do PSA. Nossos resultados mostraram que houve uma redução significativa na turbidez, DQO e sólidos suspensos totais. Além disso, a vazão, nitrogênio total, fósforo total e oxigênio dissolvido permaneceram estáveis, após a implementação de práticas de conservação, corroborada pela análise multivariada. O índice de qualidade da água (IQA) entre “Bom” e “Ótimo” e os parâmetros químicos e hidrobiológicos abaixo dos valores máximos permitidos, refletiram na manutenção da qualidade da água. A tomada de decisão participativa com base no diálogo entre as partes interessadas e a confiança no PSA foram os elementos-chave de sucesso.Abstract in English:
ABSTRACT For the efficient management of water and soil conservation, quality and quantity aspects must be integrated. However, there is still a lack of studies with this synergy including governance processes. The present research evaluated for ten years (2010-2019) quality and quantity aspects of a water supply source and the Payment for Environmental Services (PES) implementation to investigate public policy efficiency and its effect on water resources. We used statistical analyses for comparing means, graphical analyses (trends, time series, duration curve, standard deviation), and correlation and multivariate analysis to evaluate parameters’ behavior after the PES implementation. Results showed that there was a significant reduction in turbidity, COD, and total suspended solids. Furthermore, water flow rate, total nitrogen, total phosphorus, and dissolved oxygen remained stable after the implementation of conservation practices, as confirmed by the multivariate analysis. Water quality index (WQI) between “Good” and “Great” and chemical and hydrobiological parameters below the maximum allowed values reflected on the water quality maintenance. Participative decision-making based on dialogue between stakeholders and trust in PES were key elements for success.Abstract in Portuguese:
RESUMO Com a impermeabilização dos solos urbanos e o aumento da frequência de chuvas intensas, os sistemas convencionais de drenagem tornaram-se obsoletos, resultando na ocorrência de enchentes. Nesse sentido, o objetivo deste estudo foi avaliar o impacto da implantação de técnicas compensatórias de drenagem urbana na bacia do córrego Ressaca - Belo Horizonte - MG. Para isso, foram propostos cenários que contemplam a condição atual de ocupação da bacia, verificando as possíveis técnicas a serem adotadas, e uma situação futura, que contempla um novo padrão de desenvolvimento urbano e uma equação IDF que incorpora condições de não estacionariedade. O aumento das vazões de pico observadas na comparação dos cenários que contemplam as diferentes perspectivas do IDF, embora bastante expressivo, poderia ser atenuado com a implantação de técnicas que contribuam para a redução do volume de escoamento. Os achados deste estudo evidenciam os benefícios hidrológicos que as técnicas compensatórias podem promover diante de um cenário de mudanças nos padrões de chuva.Abstract in English:
ABSTRACT With the impermeabilization of urban soils and the increase in the frequency of heavy rains, conventional drainage systems have become obsolete, resulting in the occurrence of floods. In this sense, the aim of this study was to evaluate the impact of implementing urban drainage compensatory techniques in Ressaca stream basin - Belo Horizonte - MG. For this, scenarios were proposed that contemplate the current condition of occupation of the basin, verifying the possible techniques to be adopted, and a future situation, which envisages a new pattern of urban development and an equation IDF that incorporates non-stationarity conditions. The increase in peak flow rates observed when comparing the scenarios that contemplate the different perspectives of IDF, although quite expressive, could be attenuated with the implementation of techniques that contribute to reducing runoff volume. This study findings evidence the hydrological benefits that compensatory techniques could promote in the face of a scenario of changes in rainfall patterns.Abstract in Portuguese:
Resumo O acesso à água é um direito de todas as pessoas, e agências governamentais são responsáveis por alocar a água para garantir seu uso sustentável para múltiplos usuários. No entanto, decidir a melhor estratégia de alocação não é uma tarefa simples, pois em sistemas complexos, que dependem de uma série de decisões individuais por parte das pessoas, as políticas de água podem ter impactos imprevisíveis. Considerando a alocação de água em um corpo hídrico, apresentamos um modelo baseado em agentes que aloca água e possui uma estratégia de comportamento adaptável dos agentes de sobrepor a decisão do gestor quando os direitos de água são negados. Realizamos uma comparação de cenários da susceptibilidade dos agricultores em sobrepor e da disponibilidade de água no Canal do Sertão, no estado de Alagoas, nordeste do Brasil. No cenário de capacidade reduzida de água, os agentes com direitos de água nos últimos segmentos do canal foram incapazes de retirar água devido a agentes que a retiraram ilegalmente. A sustentabilidade do sistema mostrou-se sensível ao nível de susceptibilidade de captura de água ilegal, merecendo atenção e investimentos no setor de fiscalização. Além do efeito estudado, o modelo pode ser aplicado para avaliar e comparar vantagens e impactos nos níveis de água para diferentes políticas de água, como subsídios financeiros e créditos, ou diferentes estratégias de alocação de água.Abstract in English:
Abstract As access to water is a right of all people, government agents are responsible to allocate water to guarantee its sustainable use for multiple users. However, deciding the best allocation strategy is not a straightforward task. In complex systems, which depend on a collection of individual decisions by people, water policies may have unpredictable impacts. Considering the water allocation in a water canal, we present an agent-based model that allocates water and incorporates an agents’ adaptability behaviour strategy of overriding the manager's decision when water right is denied. We compared scenarios of farmers' override susceptibility and of water availability on the Canal do Sertão in the state of Alagoas, northeastern Brazil. In the scenario of reduced water capacity, agents with water rights in the last segments of the canal were unable to withdraw water due to agents who withdrew illegally. The sustainability of the system proved to be sensitive to the level of susceptibility of capturing water illegally, deserving attention and investments in the oversight sector. Besides this effect, the model can be applied to assess and compare advantages and impacts on the water levels for different water policies such as financial subsidies or different water allocation strategies.Abstract in Portuguese:
RESUMO Esta nota propõe uma abordagem técnica para o desastre ocorrido em 8 de janeiro de 2022, na região turística de Capitólio (MG), onde uma enorme rocha quartzítica se desprendeu de um penhasco e tombou sobre barqueiros de recreio à deriva em um lago, deixando 10 mortos e outros 30 feridos. Ainda que a queda da rocha tenha sido decisiva na tragédia, é razoável afirmar que o impacto da onda de submersão certamente potencializou o acidente. Nessa linha, este trabalho não só tem como objetivo explorar videograficamente as características geométricas/cinemáticas do bloco sólido, mas também discutir as especificidades pertinentes ao evento. Por fim, com base no Método de Noda (1970), este manuscrito também estima a amplitude de onda resultante (próxima ao impacto) e o coeficiente de transferência de energia entre o bloco e o corpo d'água.Abstract in English:
ABSTRACT This note proposes a technical approach towards the disaster occurred on January 8, 2022, in the tourism region of Capitólio (Minas Gerais state, Brazil), where a massive quartzite rock broke from a cliff and toppled on to pleasure boaters drifting on a lake, leaving 10 people dead and 30 others injured. Even though the rockfall was decisive in the tragedy, it is reasonable to affirm that the submersion-wave impact certainly potentialized the accident. Along these lines, this work not only aims to videographically explore the geometric / kinematic characteristics of the solid block, but also to discuss the specificities pertaining the event. Lastly, with basis on the Noda Method (1970), this manuscript also estimates the resulting wave amplitude (near the impact) and the energy-transfer coefficient between the block and the body of water.Abstract in Portuguese:
RESUMO O uso de ferramentas de modelagem hidrológica na tomada de decisão é particularmente desafiador em países tropicais como o Brasil. Existem inúmeras ferramentas de modelagem disponíveis; entretanto muitas aplicações destas ferramentas são focadas em bacias hidrográficas com área total <20.000 km2. Neste trabalho, adotamos e customizamos o modelo ecohidrológico SWAT (Soil and Water Assessment Tool) usando a ferramenta SWAT CUP para calibração e validação do Rio das Velhas, uma relativamente grande e complexa bacia brasileira (~ 28.000 km2). O Rio das Velhas é o maior afluente da bacia do rio São Francisco e contém formas de relevo, solos, vegetação e usos da terra heterogêneos. Usando um método de calibração multi-site, parâmetros regionalizados específicos foram obtidos para cada grupo de sub-bacias para simular com sucesso as vazões do Rio das Velhas. Nossos resultados mostraram um bom ajuste do modelo. Os valores do coeficiente de performance Nash-Sutcliff (NS) foram 0,73-0,97 (calibração) e 0,51-0,98 (validação). A porcentagem de viés (PBIAS) foi de -11,3 a 19,4 (calibração) e -18,6 a 24,6 (validação) e os valores do coeficiente de determinação (R2) foram >0,6 em todas as sub-bacias considerando uma escala mensal. Também exploramos as maneiras pelas quais quatro cenários contrastantes de uso da terra impactam às quatro variáveis de vazões avaliadas (escoamento superficial, fluxo de base, percolação e fluxo total). Nossos resultados mostram que, usando múltiplas estações de monitoramento de vazão e abordagens de calibração multi-site, os modelos ecohidrológicos podem de fato ser úteis para gerenciar os recursos hídricos da extensão da bacia em países de dimensões continentais como o Brasil.Abstract in English:
ABSTRACT Hydrological modeling in decision-making is particularly challenging in tropical countries such as Brazil. There are numerous modeling tools; however, many applications have focused on watersheds with a total area of <20,000km2. Here we tailored a customized SWAT (Soil and Water Assessment Tool) ecohydrological model application using the SWAT CUP tool for calibration and validation of the Rio das Velhas, a relatively large, complex Brazilian basin (~28,000km2). The Rio das Velhas is the longest tributary of the São Francisco River and contains heterogeneous landforms, soils, vegetation, and land uses. A multisite calibration method obtained specific regionalized parameters for each sub-basin group for successfully simulating Rio das Velhas streamflows. Our results showed a suitable adjustment of the model. Nash-Sutcliff (NS) model performance values were 0.73-0.97 (calibration) and 0.51-0.98 (validation). The percent bias (PBIAS) was -11.3 to 19.4 (calibration) and -18.6 to 24.6 (validation), and the coefficient of determination values (R2) were >0.6 in all sub-basins on a monthly basis. We also explored how four contrasting land use scenarios affected four water-flow variables (surface runoff, base flow, percolation, and total streamflow). Our results show that by using multiple flow-monitoring stations and multisite calibration approaches, ecohydrological models can be useful for managing basin-extent water resources in countries of continental dimensions such as Brazil.Abstract in Portuguese:
RESUMO A degradação ambiental causada por pressões antrópicas inclui a conversão de cobertura vegetal nativa em pastagens e terras agrícolas, bem como o desmatamento de zonas ripárias, levando ao assoreamento de rios, à homogeneização biótica e à perda de serviços ecossistêmicos. O objetivo do nosso estudo foi avaliar a qualidade de água e a estrutura de assembleia de macroinvertebrados bentônicos em resposta a mudanças no uso da terra em extensões espaciais locais e de microbacia (buffer). Para tanto, assumimos que os distúrbios humanos afetam negativamente a qualidade de água e a assembleia de macroinvertebrados bentônicos. Maior influência humana foi observada na escala local (Índice de Distúrbio Local – LDI) do que na escala de buffer (Índice de Distúrbio Buffer – BDI). Da mesma forma, as respostas das métricas biológicas foram mais correlacionadas ao LDI do que ao BDI ou o Índice Integrado de Distúrbio (IDI). Esses resultados apoiam o estabelecimento de um programa de biomonitoramento para avaliar a qualidade de corpos hídricos na bacia do rio Doce, fomentando a conservação de biodiversidade aquática e serviços ecossistêmicos no alto ribeirão Graipu.Abstract in English:
ABSTRACT Environmental degradation from human pressures includes the conversion of native vegetation cover into pastures and cropland, as well as riparian deforestation, leading to river siltation, biotic homogenization, and loss of ecosystem services. The objective of our study was to evaluate water quality and benthic macroinvertebrate assemblage structure in response to changes in land use at local and buffer spatial extents. We assumed that human disturbances negatively affect water quality and macroinvertebrate assemblage condition. Greater human influence was observed at the local extent (Local Disturbance Index – LDI) than at the buffer (Buffer Disturbance Index – BDI) extent. Likewise, biological metric responses were stronger relative to the LDI than to the BDI or to the Integrated Disturbance Index (IDI). These results support establishing a biomonitoring program for assessing water body quality in the Doce River basin to facilitate conserving aquatic biodiversity and ecosystem services in the upper Graipu River.Abstract in Portuguese:
RESUMO O artigo avalia a influência do tamanho das séries, do percentual de dados censurados e dos coeficientes de variação utilizados para gerar séries sintéticas na estimativa de médias, desvios-padrão, coeficientes de variação e medianas em séries com dados censurados. Foram aplicadas sete técnicas de tratamento de dados censurados em séries sintéticas em 180 cenários (quatro tamanhos de séries, nove percentuais de censura e cinco coeficientes de variação): valores proporcionais ao DL: zero, DL/2, DL/20.5 e DL - e métodos paramétrico (MLE), robustos (ROS) e Kaplan-Meier. As previsões foram analisadas com quatro métricas de desempenho (MPE, MAPE, KGE e RMSE). Verificou-se que o percentual de dados censurados e o coeficiente de variação alteram significativamente a qualidade das previsões. Verificou-se também que a substituição por DL/2, por DL/20.5 e ROS são as técnicas mais adequadas para estimar as variáveis descritas, destacando-se a ROS para estimar variáveis paramétricas e a substituição por DL/20.5 para medianas.Abstract in English:
ABSTRACT The paper evaluates the influence of size series, percentage of censored data, and coefficients of variation used to generate synthetic series on the estimation of means, standard deviations, coefficients of variation, and medians in series with censored data. Seven techniques were applied to treat censored data in synthetic series with 180 scenarios (four size series, nine censoring percentages and five coefficients of variation): values proportional to the DL: zero, DL/2, DL/20.5 and DL - and parametric (MLE), robust (ROS) and Kaplan-Meier methods. Predictions were analyzed with four performance metrics (MPE, MAPE, KGE, and RMSE). It is found that the percentage of censored data and the coefficient of variation significantly alter forecast quality. It is also found that substitution by DL/2, by DL/20.5 and ROS are the most appropriate techniques for estimating the variables described, emphasizing ROS when estimating parametric variables and substitution by DL/20.5 for medians.Abstract in Portuguese:
RESUMO Efeitos de reologia não-Newtoniana, como pseudoplasticidade e viscoplasticidade, são interpretados como tensões cisalhantes, incorporados à declividade da linha de energia nas Equações de Águas Rasas. Entretanto, tensões de cisalhamento devido a efeitos não-Newtonianos são dependentes da taxa de deformação, cuja formulação é função do gradiente do perfil de velocidade no fundo do canal. No contexto do sistema de Equações de Águas Rasas, este estudo investigou duas formulações de taxa de deformação comumente empregadas na literatura: a primeira é uma função não-parametrizada e a segunda é uma função baseada no modelo reológico de Herschel-Bulkley. A influência dessas formulações em escoamentos permanentes e uniformes idealizados de fluidos não-Newtonianos foi avaliada através de comparações numéricas e teóricas. O esquema Lax-Friedrichs de diferenças finitas foi implementado para resolver o sistema de Equações de Águas Rasas e permitiu empregar as formulações de taxa de deformação. Várias simulações numéricas de cenários hipotéticos e casos experimentais foram executadas. Observou-se que a formulação não-parametrizada apresentou desvios na solução da lâmina normal até 14% em comparação com a solução teórica, enquanto que a formulação baseada no modelo de Herschel-Bulkley forneceu uma boa confrontação, corroborada por simulações pontuais de Fluidodinâmica Computacional (desvio de menos de 2%) e dados experimentais. A razão entre ambas formulações está fortemente correlacionada com o desvio na solução da lâmina normal, o que indica que a formulação não-parametrizada de taxa de deformação não produz resultados aceitáveis em escoamentos permanentes e uniformes.Abstract in English:
ABSTRACT Non-Newtonian rheology effects, such as pseudoplasticity and viscoplasticity, are understood as shear stresses, incorporated to the energy slope term in the Shallow-Water Equations (SWE). However, non-Newtonian shear stresses are dependent of the shear rate, whose formulation is a function of the gradient of the velocity profile in the bottom. This study investigated two shear rate formulations that are commonly applied in the SWE literature: 1) a non-parameterized function; and 2) a function based on the Herschel-Bulkley rheological model. Their influence in steady uniform flows of non-Newtonian fluids was evaluated through numerical-theoretical comparisons. A Lax-Friedrichs scheme was implemented to solve the SWE system and allowed employing the shear rate formulations. Experimental tests were carried out and numerical simulations of hypothetical scenarios were performed. It was found that the non-parameterized formulation presented deviation in normal depth up to 14% in comparison with theoretical solution, while the formulation based on the Herschel-Bulkley model provided a good agreement, corroborated by punctual Computational Fluid Dynamics simulations (deviation less than 2%) and experimental data. The ratio of both shear rate formulations is strongly correlated to the deviation of normal depth, indicating that the non-parameterized shear rate function does not provide an acceptable result in the steady uniform flow.Abstract in Portuguese:
RESUMO No Brasil, a produção de energia depende predominantemente da geração hidrelétrica, necessitando de ferramentas precisas de planejamento hidrológico para gerenciar a incerteza inerente às vazões afluentes. Embora modelos hidrológicos tradicionais forneçam previsões determinísticas valiosas, endereçar a necessidade de informações probabilística continua a ser crucial. Este artigo apresenta uma nova abordagem, o Gerador Híbrido de Cenários Sintéticos de Afluências (GHCen), que combina um modelo conceitual SMAP/ONS com técnicas de simulação estocástica para gerar cenários sintéticos de vazões. A metodologia estocástica empregada no GHCen reproduz efetivamente as principais características dos processos de precipitação em escalas diárias a anuais. Através de um estudo de caso abrangente, realizado para 2021, o GHCen demonstra a sua capacidade de replicar com precisão os comportamentos hidrológicos a partir de dados históricos. A análise revela um forte alinhamento entre os cenários sintéticos e a Energia Natural Afluente observada para o Sistema Interligado Nacional, tanto mensalmente quanto em termos acumulados.Abstract in English:
ABSTRACT In Brazil, energy production predominantly relies on hydropower generation, necessitating precise hydrological planning tools to manage the uncertainty inherent in river flows. While traditional hydrological models provide valuable deterministic forecasts, addressing the need for probabilistic information remains crucial. This paper introduces a novel approach, the Hybrid Generator of Synthetic Streamflow Scenarios (GHCen), which combines a conceptual SMAP/ONS model with stochastic simulation techniques to generate synthetic streamflow scenarios. The stochastic methodology employed in GHCen effectively reproduces the key characteristics of precipitation processes on daily to annual scales. Through a comprehensive case study, conducted for 2021, GHCen demonstrates its capability to accurately replicate the hydrological behaviors from historical data. The analysis reveals a strong alignment between the synthetic scenarios and observed Natural Energy Inflow for the National Interconnected System, both monthly and in accumulated terms.Abstract in Portuguese:
RESUMO Esse estudo demonstra o potencial de aperfeiçoamento das previsões mensais de vazão ao sistema hidroelétrico brasileiro por meio da incorporação de índices climáticos. A modelagem proposta amplia o modelo periódico autoregressivo (PAR) convencional para previsões de vazão a partir da inclusão de informações climáticas, representadas por três índices climáticos-chave que refletem as temperaturas da superfície do mar nos Oceanos Pacífico e Atlântico, bem como padrões de vento zonal no sudeste do Brasil. Usando a métrica de Kling-Gupta Efficiency (KGE), os resultados obtidos revelam que a inclusão de informação climática supera consistentemente os modelos PAR existentes em inúmeras situações. Em particular, durante o mês de maio, o modelo proposto melhora as previsões para 79% dos reservatórios (124 de 157), enquanto em janeiro, reduz a variância das previsões em até 90% dos reservatórios (141 de 157).Abstract in English:
ABSTRACT This study demonstrates the potential for enhancing monthly streamflow forecasting in Brazil through the incorporation of climatic indices. It extends the conventional periodic autoregressive model (PAR) for streamflow forecasts by integrating climate information, represented by three key climate indices reflecting sea surface temperatures in the Pacific and Atlantic Oceans, as well as zonal wind patterns in southeastern Brazil. Using the Kling-Gupta Efficiency (KGE) skill metric, our findings reveal that the inclusion of climate data consistently outperforms existing PAR models in numerous scenarios. Notably, during May, the proposed model enhances forecasts for 79% of the reservoirs (124 out of 157), while in January, it reduces forecast variance for up to 90% of the reservoirs (141 out of 157).Abstract in Portuguese:
RESUMO A geração de cenários sintéticos de vazões afluentes é particularmente importante em países como o Brasil, onde a geração de energia hidrelétrica desempenha um papel fundamental e é crucial lidar adequadamente com a incerteza da vazão futura. Este artigo apresenta um esforço colaborativo do setor elétrico brasileiro para aprimorar os modelos de geração de cenários de vazão, com foco em horizontes de até um ano. Cinco instituições propuseram metodologias diversas e a sua eficácia foi avaliada através de uma avaliação comparativa estruturada. Os resultados revelam os pontos fortes e as áreas de possíveis aprimoramentos em cada modelo. O modelo GHCen apresentou o melhor desempenho, destacando-se nas análises de curto prazo e de média móvel, enquanto o modelo PARX demonstrou desempenho superior em regiões específicas do Brasil. O PAR(p)-A, metodologia oficial no Brasil, foi o segundo melhor modelo na análise de médias móveis. Este artigo oferece informações valiosas para países que enfrentam desafios semelhantes de programação hidrotérmica e geração de cenários.Abstract in English:
ABSTRACT Synthetic streamflow scenario generation is particularly important in countries like Brazil, where hydroelectric power generation plays a key role and properly handling the uncertainty of future streamflow is crucial. This paper showcases a collaborative effort within the Brazilian electrical sector to enhance streamflow scenario models, focusing on horizons up to one year. Five institutions proposed diverse methodologies, and their effectiveness was evaluated using a comparative framework. The results reveal the strengths and areas for improvement in each model. GHCen emerged as the top performer, excelling in both short-term and moving average analyses, while the PARX model demonstrated superior performance in specific regions. The PAR(p)-A, which is the official methodology in Brazil, was the second-best model in the moving average analysis. This research offers valuable insights for countries facing similar hydrothermal scheduling and scenario generation challenges.Abstract in Portuguese:
RESUMO A previsão de vazão desempenha um papel importante para garantir o fornecimento confiável de eletricidade em países altamente dependentes da energia hidrelétrica. Este artigo propõe uma abordagem inovadora que integra vários modelos hidrológicos, modelos climáticos e dados observacionais para desenvolver um sistema abrangente de previsão. Três famílias de modelos foram empregadas: modelos climáticos de previsão sazonal integrados com modelos hidrológicos chuva-vazão; modelos estocásticos ou de aprendizado de máquina que utilizam variáveis endógenas e modelos estocásticos ou de aprendizado de máquina que consideram variáveis exógenas. A abordagem do hiper-multimodelo conseguiu aumentar com sucesso o desempenho geral dos cenários gerados com uso dos modelos individuais. A qualidade dos cenários finais gerados estava diretamente relacionada ao desempenho dos modelos individuais. Portanto, a estrutura proposta tem o potencial de melhorar a previsão hidrológica para o setor de eletricidade brasileiro com o uso de modelos individuais mais refinados e calibrados.Abstract in English:
ABSTRACT Streamflow forecasting plays an important role in ensuring the reliable supply of electricity in countries heavily reliant on hydropower. This paper proposes a novel framework that integrates various hydrological models, climate models, and observational data to develop a comprehensive forecasting system. Three families of models were employed: seasonal forecasting climate models integrated with hydrological rainfall-runoff models; stochastic or machine learning models utilizing endogenous variables, and stochastic or machine learning models that consider exogenous variables. The hyper-multimodel framework could successfully increase the overall performance of the scenarios generated through the use of the individual models. The quality of the final scenarios generated was directly connected to the performance of the individual models. Therefore, the proposed framework has potential to improve hydrological forecast for the Brazilian electricity sector with the use of more refined and calibrated individual models.Abstract in Portuguese:
RESUMO Este trabalho é um dos resultados da atividade “Avaliação de modelos de geração de cenários de afluências”, proposta pelo Grupo de Trabalho de Representação de Cenários Hidrológicos (GT CH) e coordenada pelo ONS e CCEE. Apresenta-se o modelo LYNX-Series, uma formulação contemporânea autorregressiva de médias móveis (CARMA) não-periódica e multivariada para a geração de séries sintéticas de vazões médias afluentes aos reservatórios do Sistema Interligado Nacional (SIN). Como destaque, o LYNX-Series acopla o gerador de séries sintéticas a um processo de amostragem multivariada para a seleção de um grupo de cenários hidrológicos sintéticos com base em um critério de similaridade em relação ao passado recente. Além de reduzir o peso computacional do processo de otimização do despacho hidrotérmico, a solução tem por objetivo melhorar a representatividade dos cenários hidrológicos sintéticos. O artigo mostra os aspectos teóricos do modelo, bem como simulações numéricas que comprovam a sua capacidade na reprodução dos comportamentos hidrológicos das diversas bacias brasileiras.Abstract in English:
ABSTRACT This work constitutes one of the outcomes of the “Evaluation of hydrological scenario generation models” activity initiated by the Hydrological Scenario Representation Working Group (GT CH) and coordinated by ONS and CCEE. We introduce the LYNX-Series model, a contemporaneous non-periodic and multivariate variation of the autoregressive moving average model (CARMA) for generating synthetic time series of average inflow discharges to reservoirs in the Brazilian National Interconnected System (SIN). Notably, LYNX-Series couples the synthetic series generator with a multivariate sampling process to select a group of synthetic hydrological scenarios based on a similarity criterion with recent historical data. In addition to reducing the computational burden of the hydrothermal dispatch optimization process, the solution aims to enhance the representativeness of synthetic hydrological scenarios. The paper expounds on the theoretical aspects of the model and presents numerical simulations that validate its ability to replicate hydrological behaviors in various Brazilian basins.Abstract in Portuguese:
RESUMO O planejamento da operação do Sistema Interligado Nacional (NIS) é baseado em modelos de otimização que utilizam cenários SINtéticos de afluências que buscam representar o comportamento períodico observado no histórico dos dados. Atualmente, o modelo PAR(p)-A (Autoregressivo Periódico com Componente Anual) é empregado de forma oficial nos modelos computacionais pelos órgãos responsáveis no planejamento da operação no curto e médio prazo. O objetivo deste trabalho é apresentar um experimento utilizando um modelo alternativo que considera alguma informação sobre variáveis climáticas, que podem influenciar no regime hidrológico das bacias e, por consequência, em todo o planejamento energético. O modelo utilizado emprega o índice ONI como medida do fenômeno El Niño - Oscilação Sul, além de um processo de chaveamento markoviano. Os resultados do experimento mostram que a metodologia é capaz a influência deste fenômeno nas afluências e gerar cenários mais próximos dos valores de vazão observados.Abstract in English:
ABSTRACT The operation planning of the National Interconnected System (NIS) is based on optimization models that use synthetic inflow scenarios to represent the periodic behavior observed in historical data. Currently, the PAR(p)-A model (Periodic Autoregressive with Annual Component) is officially employed in computational models by the responsible organizations for short and medium-term operation planning. This paper has the aim of presenting an experiment using an alternative model that takes into consideration information regarding climatic variables, which can influence the hydrological regime of river basins and therefore the entire energy planning. The evaluated model employs the ONI index as a measure of the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) phenomenon, in addition to a Markovian switching process. The results of the experiment demonstrate that the methodology is able to capture the influence of this phenomenon on inflows and generate scenarios closer to observed flow values.