Development of a large-scale rainfall simulator for urban hydrology research / Desenvolvimento de um simulador de chuva de grande escala para pesquisa em hidrologia urbana

ABSTRACT This work presented the development and testing of a large-scale rainfall simulator (LSRS) to be used as a research tool on rainfall-runoff and associated transport processes in urban areas. The rainfall simulator consists of a pressurized water supply system which supplies a set of 16 full-cone nozzles. Artificial rainfall with different rainfall intensities can be produced over an area of 100 m2 in a V shape. The assembly is housed in a tailor-made acrylic structure to eliminate the influence of wind and natural rainfall. Runoff is measured and collected at the outlet of the drainage basin, from where it is pumped to a storage tank that enables the reuse of water. Runoff hydrographs and pollutographs are presented as examples of possible outcomes from this facility. The LSRS is showed to be able to reproduce the rainfall-runoff and pollutant transport processes under simulated rainfall events with intensity and spatial uniformity similar to other experiments described in the literature.

RESUMO Este trabalho apresentou o desenvolvimento e teste de um simulador de chuva em larga escala (large-scale rainfall simulator — LSRS) para utilização em pesquisa sobre o processo de chuva-vazão e processos associados em áreas urbanas. O simulador é composto por um sistema pressurizado de abastecimento de água que abastece um conjunto de 16 bicos aspersores. Chuvas artificiais com diferentes intensidades de precipitação podem ser produzida sobre uma bacia de drenagem com área de 100.0 m2 em forma de V. O simulador é protegido por uma estrutura em acrílico que elimina a influência do vento e da chuva natural. A vazão é medida e coletada no exutório da bacia de drenagem, de onde é bombeada para um reservatório de armazenamento que permite a reutilização da água. Hidrogramas de vazão e polutogramas são apresentados como exemplos de possíveis resultados de ensaios a serem realizados com este equipamento. O LSRS demonstrou ser possível reproduzir o processo de chuva-vazão e processos associados sob eventos de chuva simulada com intensidade e distribuição espacial semelhantes a outros experimentos descritos na literatura.

Integração do SWMM e ferramentas SIG para modelagem hidrológico-hidráulica de bacia complexa / SWMM and GIS tools integration for hydrological-hydraulic modeling of a complex basin

RESUMO O presente trabalho aplicou o Storm Water Management Model (SWMM) para simular e avaliar a resposta hidrológica do sistema de macrodrenagem de um rio costeiro, cuja bacia situa-se em área de transição urbano-rural e apresenta influência marítima em seu exutório. Assim, como condição de contorno de jusante, reconstruiu-se a curva de maré existente no exutório da bacia por meio do método harmônico. Ademais, realizou-se a delimitação dos trechos de escoamento e a discretização das sub-bacias automaticamente e desenvolveu-se um mapa de uso e ocupação do solo para obtenção dos parâmetros físicos e espaciais dos elementos da drenagem, etapas estas auxiliadas por ferramentas de Sistemas de Informações Geográficas (SIG). Procedeu-se à simulação das vazões no sistema para o período de um mês sob condição de precipitação moderada. A validação do modelo resultou em um coeficiente de Nash-Sutcliffe de 0,57. Os resultados mostraram que o SWMM simulou as vazões nos trechos de drenagem das sub-bacias rurais com desvio médio de 8,6% das vazões medidas em campo. Para os trechos sob influência marinha, o SWMM conseguiu reproduzir o efeito da maré nos trechos, apresentando uma oscilação completa. Ademais, obteve-se a descarga fluvial média da bacia ao estuário de 2,35 m3.s-1 e a vazão média mensal afluente ao maior reservatório da bacia de 0,33 m3.s-1, resultados estes em consonância com trabalhos anteriores realizados na bacia em estudo. Em síntese, os resultados obtidos e o modelo proposto têm potencial para auxiliar na gestão integrada de águas rurais, urbanas e costeiras.

ABSTRACT The present work applied the Storm Water Management Model (SWMM) to simulate and evaluate the hydrological response of a coastal river macrodrainage system whose basin is located in an urban-rural transition area and has a tidal influence in its outflow. Thus, as a downstream contour condition, the existing tidal curve in the basin's outlet was reconstructed using the harmonic method. In addition, drainage stretches and sub-basins were automatically delimited, and a land use and occupation maps were developed to obtain the physical and spatial parameters of the drainage elements, these steps being aided by Geographic Information Systems (GIS) tools. The flow was simulated in the system for a period of one month under a moderate precipitation condition. The validation of the model resulted in a Nash-Sutcliffe coefficient of 0.57. The results showed that the SWMM simulated the flows in the drainage stretches of the rural sub-basins with an average deviation of 8.6% of the flows measured in the field. For stretches under tidal influence, SWMM was able to reproduce the effect of the tide in the stretches with a complete oscillation. In addition, the river discharge from the basin to the estuary was 2.35 m3.s-1, on average, and the average monthly flow affluent to the largest reservoir in the basin was 0.33 m3.s-1, consistently with previous work carried out in the study basin. In summary, the results obtained and the proposed model have the potential to assist in the integrated management of rural, urban, and coastal waters.

Simulação do transporte de partículas em suspensão e de poluentes dissolvidos pelo escoamento em superfícies impermeáveis: uma contribuição ao saneamento urbano / Simulation of the transport of suspended particles and dissolved pollutants by runoff on impervious surfaces: a contribution to urban sanitation

RESUMO Um dos impactos da urbanização no meio ambiente é a alteração do processo de transformação da chuva em escoamento superficial, levando à alteração da qualidade dos recursos hídricos. Com este trabalho, objetivou-se simular o transporte de partículas em suspensão e de poluentes dissolvidos, transportados pelo escoamento, sobre uma superfície impermeável em escala de laboratório. O modelo experimental consistiu de um simulador para a aplicação de chuva artificial sobre uma superfície acrílica impermeável com 8,40 m2, na qual foram definidas quatro posições para a distribuição do cloreto de sódio e da areia fina, simulando fontes difusas de poluição. Os resultados indicaram diferenças entre os tempos de pico do transporte de poluentes dissolvidos e em suspensão, em função da posição desses. O efeito de first flush foi verificado para os poluentes dissolvidos independentemente da posição da fonte, enquanto para os poluentes transportados em suspensão o mesmo efeito só foi verificado quando a fonte estava mais próxima da saída da superfície impermeável.

ABSTRACT One of the impacts of urbanization on the environment is the changes in the rainfall-runoff process, causing changes in water resources quality. The objective of this project was to simulate the transport of suspended particles and pollutants dissolved on runoff, an impermeable surface at laboratory scale. The experimental model consisted on a simulator for the application of artificial rainfall on an impermeable surface with 8,40 m2, in which sodium chloride and fine sand were distributed in four defined regions, simulating sources of diffuse pollution. The results showed differences between peak transport times of dissolved and suspended pollutants, depending on their position. The first-flush effect was observed for the dissolved pollutants independently of the source position, whereas for the pollutants transported in suspension the same effect was only found when the source was closer to the outlet of the impervious surface.

Avaliação do modelo J2000/JAMS para modelagem hidrológica em bacias hidrográficas brasileiras / J2000/JAMS model evaluation for Brazilian watersheds hydrological simulation

RESUMO: A gestão de recursos hídricos no Brasil é prejudicada pela carência de informações hidrológicas, que pode ser suprida pelos modelos hidrológicos que simulam o comportamento das bacias hidrográficas. Entretanto, muitos modelos não geram bons resultados quando executados fora da área de estudo onde foram criados. Por isso, devido à sua adaptabilidade, o modelo J2000 inserido no framework Jena Adaptable Modelling System (JAMS) foi avaliado para simulação de duas bacias hidrográficas inseridas na zona de afloramento do Sistema Aquífero Guarani, a Bacia Hidrográfica do Ribeirão da Onça (BRO) e a Microbacia do Córrego Cavalheiro (BCC), nos municípios de Brotas e Analândia, respectivamente, no estado de São Paulo. O framework JAMS apresentou-se como um sistema simplificado para uso, flexível diante das adaptações necessárias para compatibilização com as características climatológicas e hidrológicas das áreas de estudo. O modelo J2000 mostrou-se eficiente na predição da resposta hidrológica das bacias hidrográficas, apresentando um coeficiente de Nash-Sutcliffe (NSE) de 0,76 e 0,81, para os períodos de calibração e validação da BRO; e 0,76 e 0,56, para os períodos de calibração e validação da BCC, respectivamente. O erro absoluto, calculado pelo valor da raiz do erro quadrático médio, foi considerado baixo por apresentar valores de 0,14 e 0,18 m³.s-1 para os períodos de calibração e validação da BRO; e 0,02 e 0,03 m³s-1 para os períodos de calibração e validação da BCC, respectivamente. Portanto, o J2000/JAMS mostrou-se como um candidato potencial para modelagem hidrológica de bacias hidrográficas do estado de São Paulo, podendo ser utilizado para estudos sobre as relações entre a localização do uso do solo na bacia hidrográfica e a geração de escoamento.

ABSTRACT: The water resources management in Brazil is affected by the lack of hydrological information, which can be filled by hydrological models that simulate the behavior of watersheds. However, it was noticed that many models do not generate good results when performed outside of the study area where they were created. Therefore, due to its adaptability, the J2000 model linked into the Jena Adaptable Modelling System (JAMS) framework was evaluated for simulating two basins at the outcrop zone of the Guarani Aquifer System, the Ribeirão da Onça watershed (BRO) and the Córrego Cavalheiro watershed (BCC), located at Brotas and Analândia cities, respectively, in the state of São Paulo, Brazil. The JAMS framework was presented as a flexible and easy to use system, admitting all the necessary adaptations for compliance with the climatological and hydrological characteristics of the study areas. The J2000 model proved to be effective in predicting the hydrological response of watersheds, with a Nash-Sutcliffe coefficient of 0.76 and 0.81, for periods of calibration and validation of the BRO; and 0.76 and 0.56, for periods of calibration and validation of the BCC, respectively. The absolute error, calculated with the root of mean square error value, was considered low by the present values ​​of 0.14 and 0.18 m³.s- 1, for periods of calibration and validation of the BRO; and 0.02 and 0.03 m³.s- 1, for periods of calibration and validation of the BCC, respectively. Therefore, the J2000/JAMS showed up as a potential candidate for hydrological modeling of watersheds in São Paulo, and may be used for studies on the relationship between the location of land use in the watershed and the generation flow.