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.

Calibração do modelo hidrológico SWMM para a bacia do ribeirão vai e volta — Poços de Caldas, Minas Gerais / Calibration of SWMM's hydrological model for the watershed vai e volta stream — Poços de Caldas, Minas Gerais

RESUMO A impermeabilização de áreas em centros urbanos, resultante do processo de ocupação desordenada do solo, contribui para o aumento e a aceleração do escoamento superficial e, consequentemente, para a ocorrência de enchentes e inundações em bacias urbanas. Nesse contexto, atualmente, modelos hidrológicos vêm sendo empregados no desenvolvimento de políticas públicas de gestão das águas urbanas, com vistas à drenagem urbana sustentável. O presente trabalho teve como objetivo usar um modelo hidrológico para a bacia do ribeirão Vai e Volta, localizada no município de Poços de Caldas, Minas Gerais, para simular o hidrograma de cheia em um canal urbano. Utilizou-se o software Storm Water Management Model (SWMM) calibrando o modelo a dados de chuva e vazão medidos. Realizou-se a calibração manual do modelo para dois eventos de precipitação com a obtenção do coeficiente de eficiência de Nash-Sutcliffe (NSE) médio de 0,73 e erros da vazão de pico e do volume escoado inferiores a 15%. O modelo foi validado para outros três eventos distintos e obteve-se ajuste NSE médio de 0,79 e erros da vazão de pico e do volume escoado inferiores a 5%.

ABSTRACT The waterproofing of areas in urban centers, resulting from the disorderly occupation of the soil, contributes to increase and accelerate the runoff and, consequently, to the occurrence of floods and inundation in urban watersheds. In this context, hydrological models are currently being used in the development of public policies for urban water management, related to sustainable urban drainage. The present work aimed to use a hydrological model for the watershed of the Vai e Volta stream, located in the city of Poços de Caldas, Minas Gerais, to simulate the flood hydrograph in an urban open channel. The Storm Water Management Model (SWMM) software was used, calibrating the model to measured rainfall and flow data. The model was manually calibrated for two rainfall events with an average Nash-Sutcliffe coefficient (NSE) of 0.73 and errors in peak flow and runoff volume below 15%. The model was validated for three other distinct events and an average NSE adjustment of 0.79 was obtained and errors in peak flow and runoff volume below 5%.

Uso do modelo HEC-RAS com base em informações de LiDAR para avaliação de inundações urbanas / Use of the HEC-RAS model based on LiDAR information for urban flood assessment

RESUMO O crescimento desordenado das cidades e o excesso de impermeabilização são problemáticas dos grandes centros urbanos, tendo como consequência principal a ocorrência de inundações e alagamentos. Nesse contexto, a modelagem hidrodinâmica pode ser uma importante ferramenta para a determinação de áreas inundáveis, permitindo estimar as cotas de inundação para diferentes cenários de tempos de retorno (TR) e chuvas de projetos, permitindo, assim, representar mais fielmente a realidade e minimizar erros decorrentes de projetos hidráulicos. Trabalhando em conjunto com o Sistema de Informações Geográficas (SIG), em que a geometria do canal é extraída por meio do Modelo Digital do Terreno (MDT) de alta precisão gerado por levantamento com técnica LiDAR (Light Detection and Ranging) e software de modelagem hidrodinâmica (Hydrologic Engineering Center — River Analysis System — HEC-RAS), foi possível avaliar diferentes cenários de inundações no trecho canalizado em concreto, no córrego Botafogo, em Goiânia, Goiás. Com os resultados da modelagem hidrodinâmica foi possível avaliar o comportamento da propagação das vazões geradas, constatando-se que para precipitações com TR de 50 anos ou mais, os limites da canalização não suportam os volumes gerados e transportados, provocando inundações em seis trechos críticos. Os dados obtidos pelo HEC-RAS puderam ser validados a partir de registros fotográficos divulgados pela imprensa local e levantamento topográfico dos locais inundados, de modo que a integração entre o SIG e a modelagem hidrodinâmica se mostrou eficiente para o estudo de áreas inundáveis.

ABSTRACT The disordered growth of cities and the excessive waterproofing are problematic of the large urban centers, having as a main consequence the occurrence of floods and overflows. Within this context, hydrodynamic modeling can be an important tool for the determination of floodable areas, allowing the estimation of flood quotas for different scenarios of return periods (TR) and project rainfall, thus allowing to more accurately represent reality and minimize errors arising from hydraulic designs. Working with Geographic Information System (GIS), where the channel geometry is extracted using the high precision Digital Terrain Model (DTM) generated by LiDAR (Light Detection and Ranging) survey and hydrodynamic modeling software (HEC-RAS), it was possible to evaluate different flood scenarios in the channeled concrete section, in the Botafogo Stream in Goiânia, Goiás. With the results of hydrodynamic modeling, it was possible to evaluate the propagation behavior of the generated flows, finding that for precipitation with TR 50 years or older, the plumbing limits do not support the generated and transported volumes, causing flooding in six critical stretches. The data obtained by HEC-RAS could be validated from photographic records released by the press and topographic survey of flooded sites, so that the integration between GIS and hydrodynamic modeling proved to be efficient for the study of floodable areas.

Análise da implantação de reservatórios de detenção de forma que sejam minimizados os impactos causados por inundações / Implementation analysis of detention reservoirs in order to minimize the impacts caused by floods

RESUMO Por causa do avanço da ocupação urbana e consequente impermeabilização dos solos, ocorre um aumento do escoamento superficial, provocando, assim, inundações mais frequentes do que as que existiam quando a superfície era permeável. Este trabalho teve como objetivo propor o uso de reservatório de detenção como técnica compensatória de drenagem urbana. Para isso, foram simulados cenários, com e sem a implantação de reservatórios, e compararam-se os resultados hidrológicos com o cenário de pré-urbanização, também simulado. As simulações foram realizadas a partir dos modelos hidrológicos da plataforma Hydrologic Engineering Center (HEC) - Hydrologic Modeling System (HMS). Foram analisadas diferentes concepções de reservatórios e concluiu-se que aquele com dispositivos de saída instalados ao longo de sua altura fornece resultados hidrológicos favoráveis. Por último, verificou-se a capacidade dos reservatórios para períodos de retorno igual e inferiores a 100 anos, de forma que se obtenha a eficiência dos reservatórios em outros períodos de recorrência, cujos resultados com a execução de reservatórios em pontos estratégicos demonstraram que tais dispositivos reduzem significativamente as vazões de saída, e, para os períodos de retorno de 5, 20, 50 e 100 anos, foram, respectivamente, 182,56; 209,63; 233,10; e 244,61%. Portanto, o uso de reservatórios pode ser considerado positivo com relação a redução de inundações e possíveis prejuízos financeiros satisfatórios.

ABSTRACT Due to the increasing urban occupation, and subsequent sealing of the soil, there is an increase in the surface runoff, thus causing more frequent floods than those that existed when the surface was permeable. The objective of this study was to propose the use of a detention reservoir as a compensatory urban drainage technique. For this, scenarios were simulated, with and without reservoir implementation, and the hydrological results were compared with the simulated pre-urbanization scenario. The simulations were performed from the hydrological models of the HEC-HMS platform. Different conceptions of reservoirs were analyzed, and it was concluded that the reservoir with output devices installed along its height provides favorable hydrological results. Finally, the capacity of the reservoirs for return periods equal to and below 100 years was verified, in order to obtain the efficiency of the reservoirs in other periods of recurrence, whose results with the execution of reservoirs at strategic points demonstrated that such devices significantly reduce the outflows, and for the return periods of 5, 20, 50 and 100 years were respectively 182.56%, 209.63%, 233.10%, 244.61%. Therefore, the use of reservoirs can be considered positive in relation to the reduction of floods and possible financial losses.

Uso de técnicas de low impact development no controle de impactos hidrológicos / Use of low impact development techniques to control hydrological impacts

RESUMO O crescimento desordenado traz diversas implicações na drenagem das bacias urbanas, principalmente no referente a alterações no escoamento pluvial. A bacia Mãe d'Água em Viamão (RS), no Brasil, retrata esse problema. Assim, levanta-se a seguinte questão: existem soluções de Low Impact Development (LID) compatíveis com a mitigação de impactos hidrológicos em situações de ocupação urbana em consolidação? Para isso, foram realizadas simulações de três cenários de urbanização: o atual, o futuro e o possível. O cenário atual representa o sistema atual; o futuro é representado pela concretização do Plano Diretor de Viamão, com taxa de permeabilidade de 10% nos lotes; e o possível foi apresentado por meio da inserção das medidas de LID (vegetative swales e pavimentos permeáveis) e taxas de permeabilidade de lote do cenário futuro. As simulações foram realizadas no modelo Storm Water Management Model (SWMM) para chuvas de projeto com tempo de retorno de 2, 5, 10 e 20 anos. O cenário que se apresentou mais crítico quanto a problemas de drenagem foi o futuro. No possível, mesmo com medidas mitigadoras, ainda existem volumes extravasados em alguns pontos, porém as LID reduziram o volume escoado na bacia em até 14% para o tempo de retorno de 2 anos. As medidas de LID apresentaram melhor desempenho para chuvas com menores tempos de retorno. A melhor eficiência na redução dos volumes escoados foi através da manutenção de taxas de permeabilidade do solo. Porém, as LID auxiliam na redução do escoamento superficial, sendo uma alternativa viável para áreas que já estão consolidadas.

ABSTRACT The disordered urban growth has several implications for the drainage of urban watersheds, especially regarding changes in runoff. The Mãe d'água watershed in Viamão/RS in Brazil portrays well this problem. Therefore, the following issue arises: are there LID solutions compatible with the mitigation of hydrological impacts in situations of urbanization under consolidation? In this respect, simulations were performed for three different urbanization scenarios, being: the current, the future, and the possible scenarios. The current scenario represents the current system. The future scenario is represented by the implementation of the current Master Plan of Viamão, with permeability rate of 10% in the lots. The possible scenario was presented through the insertion of LID measurements (vegetative swales and permeable pavements) and with the lot permeability rates of the future scenario. The scenario simulations were performed in the SWMM model for design rainfalls with a return period of 2, 5, 10 and 20 years. The most critical scenario regarding drainage problems was the future scenario. In the possible scenario, even with mitigating measures, there are still flood volumes in some points, but the LIDs reduced the volume flowed in the watershed by up to 14% for the RP of 2 years. The LID measurements showed best performance for rainfalls with lower return period. The best efficiency in the reduction of runoff volumes was through the maintenance of soil permeability rates. However, LIDs help to reduce surface runoff, being a viable alternative for areas that are already consolidated.

Análise do avanço da cunha salina em sistema aquífero costeiro / Analysis of the advancement of seawater intrusion in coastal aquifer system

RESUMO A exploração indiscriminada de água subterrânea pode causar o colapso dos aquíferos costeiros. Nesse escopo, este trabalho avaliou o comportamento da cunha salina em parte do sistema Barreiras/Marituba, que fica na costa da região metropolitana de Maceió (AL), fazendo uso de modelagem e índices hidrogeoquímicos. O modelo foi calibrado tanto para o fluxo subterrâneo como para a concentração de sólidos totais dissolvidos, nos quais atingiu coeficiente de correlação de 0,764 e 0,682, respectivamente. Foram analisados dois cenários distintos, que permitiram verificar o efeito da explotação de água subterrânea na cunha salina para uma projeção de dez anos. O primeiro considerou a explotação existente até 2015, sem acréscimos de bombeamentos. Como resultado, verificou-se o avanço da cunha salina em duas áreas do domínio e outra área sofreu recuo, além da formação de cones com ascensão vertical da água do mar. No segundo cenário, foram adicionadas, além das licenças de obras hídricas já existentes, como poços, a hipótese de instalação de 36 novos poços de bombeamento, considerando o crescimento da cidade. Porém, nesse caso, não foi possível visualizar variações significativas na zona de mescla em relação ao primeiro cenário. A análise dos índices hidrogeoquímicos apontou para maiores concentrações de cloretos na região próxima à linha do Oceano Atlântico, com pouca influência do nitrato e, no geral, indicou a existência de intrusão de água do mar.

ABSTRACT The groundwater overexploitation can cause the collapse of coastal aquifers. In this scope, this study evaluated the behavior of the salt wedge in part of the Barreiras/Marituba system aquifer present on the coast of the Metropolitan Region of Maceió, Alagoas, using hydrogeochemical modeling and indexes. The model was calibrated for both the underground flow and the total dissolved solids concentration, obtaining a correlation coefficient of 0.764 and 0.682, respectively. Two different scenarios were analyzed, which allowed verifying the effect of the exploitation of groundwater in the salt wedge for a projection of 10 years. The first considered the existing operation until 2015, without any additional pumping. Results shows that saline wedge advanced in two areas of the domain and another site was retreated, in addition to the formation of cones with vertical rise of the sea water. The second scenario, besides the already existing waterworks licenses, was also added by the installation of 36 hypothetical pumping wells, based in the city growth. However, in this case, it was not possible to visualize significant variations in the melting zone in relation to the first scenario. The analysis of hydrogeochemical indices shows to higher concentrations of chlorides in the region near the Atlantic Ocean line, with little influence of nitrate and, in general, indicated the existence of sea water intrusion.

Assessment of climate change impacts on water resources of the Purus Basin in the southwestern Amazon / Avaliação de impactos de mudanças climáticas nos recursos hídricos da Bacia do Purus no sudoeste da Amazônia

ABSTRACT Knowledge about water resources is critical for climate adaptation in face of long-term changes and more frequent extreme events occurrence. During the major droughts of 2005 and 2010, a large epicenter was located in the southwestern Amazon over the Purus River Basin. In this sense, we conducted a hydrological simulation in this basin to assess the climate change impacts on its water resources throughout the 21st century. The water balance was simulated using the Distributed Hydrological Model (MHD-INPE). The future climate projections were simulated by the regional ETA-INPE model driven by a 4-member HadCM3 global model regarding the A1B-AR4/IPCC scenario of greenhouse gases emissions. As simulated by the ETA-INPE/HadCM3, the 4-members mean response for the A1B scenario represents a rainfall reduction of up to 11.1%, a temperature increase of up to 4.4 °C, and a wind speed increase of up to 8.4% in the Purus Basin by the end of 21st century. Under these conditions, the discharge projections represent an overall 27% decrease in the Purus Basin with different patterns between dry and wet season, as well as changes in seasonality trends. The consequences of projected climate change are severe and will probably have a great impact upon natural ecosystem maintenance and human subsistence. In a climate change adaptation process, the preservation of the natural forest cover of the Purus Basin may have great importance in water retention.

RESUMO O conhecimento sobre os recursos hídricos é crítico para a adaptação diante das mudanças de longo prazo e ocorrência mais frequente de eventos extremos. Nas grandes secas de 2005 e 2010, um grande epicentro foi localizado no sudoeste da Amazônia sobre a Bacia do Rio Purus. Nesse sentido, foi realizada uma simulação hidrológica nessa bacia, para avaliar os impactos das mudanças climáticas sobre seus recursos hídricos ao longo do século 21. O balanço hídrico foi simulado utilizando o modelo hidrológico distribuído (MHD-INPE). As projeções climáticas futuras foram simuladas pelo modelo regional ETA-INPE forçado por 4 membros do modelo global HadCM3 sobre o cenário de emissões de gases de efeito estufa A1B-AR4/IPCC. Como simulado pelo ETA-INPE/HadCM3, a resposta média dos 4 membros para o cenário A1B representa uma redução de chuvas em até 11,1%, aumento de temperatura em até 4,4 °C, e aumento da velocidade do vento em até 8,4% para a Bacia do Purus até o fim do século 21. Sob essas condições, as projeções de descarga representam uma diminuição global de 27% na Bacia do Purus, com diferentes padrões entre as estações seca e úmida, bem como mudanças nas tendências sazonais. As consequências das mudanças climáticas projetadas são severas e provavelmente terão um grande impacto sobre a manutenção dos ecossistemas naturais e subsistência humana. Em um processo de adaptação a mudanças climáticas, a preservação da cobertura florestal natural da Bacia do Purus pode ter grande importância na retenção de água.

Modelagem da Lagoa da Pampulha: uma ferramenta para avaliar o impacto da bacia hidrográfica na dinâmica do fitoplâncton / Modelling Lake Pampulha: a tool for assessing the catchment area impacts on the phytoplankton dynamics

RESUMO No processo de urbanização, o aumento na proporção de superfícies impermeabilizadas e as mudanças no uso do solo são responsáveis por maiores volumes e velocidades do escoamento superficial, refletindo em uma maior capacidade de arraste e em um maior aporte de nutrientes nos corpos d'água receptores. O objetivo deste trabalho foi implementar uma ferramenta matemática capaz de reproduzir o impacto de mudanças na bacia hidrográfica sobre a dinâmica do fitoplâncton em um lago urbano. Neste artigo são apresentados o desenvolvimento e os resultados de um modelo integrado constituído de um modelo hidrológico, para simular vazões escoadas em uma bacia hidrográfica, e de um modelo hidrodinâmico e ecológico, para simular a biomassa fitoplanctônica em um corpo d'água urbano. A Lagoa da Pampulha (Belo Horizonte, Minas Gerais), escolhida como estudo de caso, foi intensamente monitorada, assim como sua bacia de drenagem, entre outubro de 2011 e junho de 2013. Os dados obtidos foram utilizados para calibrar e validar ambos os modelos. Os resultados obtidos com o modelo hidrológico mostraram-se coerentes com as medidas realizadas em campo (o coeficiente de Nash variou entre 0,70 e 0,88). O modelo da lagoa representou corretamente a evolução da comunidade fitoplanctônica (erro médio absoluto normalizado: 0,25-0,42 e o coeficiente de Pearson: 0,82-0,89; p<0,0001). O monitoramento e a modelagem da lagoa mostraram que a proliferação de cianobactérias é bastante perturbada pelas desestratificações térmicas que ocorrem na lagoa em virtude de eventos meteorológicos. A ferramenta de simulação desenvolvida possui potencial para avaliar diferentes cenários de mudança das condições climáticas e das características da bacia, podendo auxiliar na gestão dos corpos d'água situados em meio urbano.

ABSTRACT In urban areas the increasing imperviousness is responsible for rising runoff volume and speed, leading to a greater capacity to load nutrients and pollutants into reservoirs. In order to study the impacts of catchment changes on the phytoplankton dynamics in urban lakes, a modelling approach in which a hydrological model is connected to an ecological lake model is proposed for Lake Pampulha (Brazil). In this paper we present the methodology used to link both models. Lake Pampulha and its catchment area were intensively monitored between October 2011 and June 2013 in order to provide data for the calibration and validation of both models. The results of the hydrologic model showed good agreement with the in situ measurements, and the Nash coefficient ranged from 0.70 to 0.88. The lake ecological model have successfully represented the cyanobacteria dynamics (normalized mean average error: 0.25-0.42, Pearson coefficient: 0.82-0.89, p<0.0001). Monitoring and modelling showed that cyanobacteria blooms are quite disturbed by water column mixing caused by rain events. The mathematical tool developed here can be used to assess different scenarios of climate changes or catchment area changes and can be very helpful for the management of urban water resources.