Abstract in Portuguese:

RESUMO Os conjuntos de dados meteorológicos em grade representam uma alternativa valiosa para aplicações hidrometeorológicas, especialmente em áreas com observações terrestres limitadas. No entanto, é importante avaliar esses conjuntos de dados para quantificar sua precisão, erro e viés nas estimativas. O objetivo desta pesquisa foi avaliar o desempenho hidrológico de produtos meteorológicos em grade em bacias do altiplano peruano. Três abordagens de avaliação foram empregadas: 1) pixel-para-ponto, 2) valores médios sobre a bacia e 3) como forçantes no modelamento hidrológico. Utilizando dados de precipitação (P) e evapotranspiração potencial (PET) de AgERA5, ERA5-Land, MERRA-2 e PERSIANN-CDR, comparações foram feitas com 33 estações meteorológicas locais usando métricas estatísticas como coeficiente de correlação (CC), erro quadrático médio (RMSE) e viés percentual (PBIAS). Além disso, o modelo hidrológico GR4J foi aplicado em quatro bacias hidrográficas para avaliar o desempenho do modelo com diferentes combinações de dados. Os resultados mostraram que AgERA5 e ERA5-Land se destacaram na estimativa de precipitação diária, enquanto MERRA-2 teve o menor viés de PET. O uso de dados de referência para P e PET como forçantes do modelo gerou resultados consistentes nas bacias. No entanto, o desempenho diminuiu ao utilizar produtos quadriculados tanto para P quanto para PET, revelando limitações significativas na replicação dos processos hidrológicos e enfatizando a necessidade de aprimorar esses produtos para áreas com dados observacionais limitados.

Abstract in English:

ABSTRACT Gridded meteorological datasets represent a valuable alternative for hydrometeorological applications, especially in areas with limited ground observations. However, it is important to evaluate these datasets to quantify their accuracy, error, and bias in estimates. The objective of this research was to assess the hydrological performance of gridded meteorological products in Peruvian Altiplano basins. Three evaluation approaches were employed: 1) pixel-to-point, 2) basin-averaged values, and 3) as forcings in hydrological modeling. Using precipitation (P) and potential evapotranspiration (PET) data from AgERA5, ERA5-Land, MERRA-2, and PERSIANN-CDR, comparisons were made with 33 local meteorological stations using statistical metrics such as correlation coefficient (CC), root mean square error (RMSE), and percentage bias (PBIAS). Additionally, the GR4J hydrological model was employed in four watersheds to assess model performance with different data combinations. Results showed that AgERA5 and ERA5-Land excelled in daily precipitation estimation, while MERRA-2 had the lowest PET bias. Using reference data for P and PET as model forcings yielded consistent results across basins. However, the performance declined when using gridded products for both P and PET, revealing significant limitations in replicating hydrological processes and emphasizing the need to enhance these products for areas with limited observational data.

Abstract in Portuguese:

Resumo Nosso objetivo é recriar os padrões distintos observados nos canais de rios de leitos de cascalho para estudos envolvendo modelagem física, projetando uma configuração morfológica e investigando a resistência do leito. Utilizamos um canal experimental de 10x0.56x0.4m que reduziu uma proporção natural do rio em 1:20, utilizando areia como material de leito. Utilizando dados de campo e instrumentos de medição como um perfilador a laser e tubo de Pitot, conduzimos um total de 12 testes ao longo de 27 horas. Na fase inicial de 15 horas, monitoramos de perto as deformações e o transporte de sedimentos sob várias taxas de fluxo. Posteriormente, ajustamos as taxas de fluxo e prosseguimos com os testes. Os resultados indicaram que um maior diâmetro do leito móvel levou a um aumento da resistência ao fluxo, evidente em parâmetros como n, f e C. Além disso, observamos a deposição de finos dentro dos vazios entre grãos e notamos um aumento de ks com volume de descarga reduzido, ilustrando a influência na dinâmica do fluxo e no transporte de sedimentos. Além disso, este estudo preliminar fornece insights valiosos sobre os processos físicos que governam o transporte de água e sedimentos, os quais são considerações cruciais para futuros estudos de simulação física.

Abstract in English:

Abstract Our aim is to recreate the distinct patterns observed in gravel-bed river channels for studies involving physical modeling by designing a morphological configuration and investigating bed resistance. We used a 10x0.56x0.4m experimental channel that scaled-down a natural river at a ratio of 1:20, utilizing sand as the bed material. Employing both field data and measuring instruments such as a laser profiler and pitot tube, we conducted a total of 12 tests spanning 27 hours. In the initial 15-hour phase, we closely monitored deformations and sediment transport under various flow rates. Subsequently, we adjusted the flow rates and proceeded with testing. The results indicated that a larger diameter of the movable bed led to increased flow resistance, evident in parameters like n, f, and C. Additionally, we observed the deposition of fines within intergrain voids and noted an increase in ks with reduced discharge volume, illustrating the influence on flow dynamics and sediment transport. Furthermore, this preliminary study provides valuable insights into the physical processes governing water and sediment transport, which are crucial considerations for future physical simulation studies.

Abstract in Portuguese:

RESUMO Esse estudo investiga numericamente os efeitos da operação da tomada d’água do reservatório Castanhão, Ceará, Brasil. Primeiramente, foi realizada a modelagem hidráulica transiente utilizando o ALLIEVI. Os resultados indicaram que, mesmo para as condições de fechamento mais rápido da válvula da tomada d’água, o impacto dos transientes hidráulicos foi desprezível. Em seguida, foram realizadas simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) utilizando o FLUENT para investigar os padrões de fluxo induzidos próximos à captação de água. Com os valores de turbulência obtidos, um modelo empírico em função da energia cinética turbulenta foi aplicado para avaliar os limiares para ressuspensão de sedimentos. Os resultados mostraram que o fluxo convergente em direção à tomada d’água gerou turbulência suficiente no fundo do reservatório para ressuspender o sedimento. Entretanto, a extensão longitudinal da ressuspensão foi limitada às áreas relativamente próximas à tomada d’água. Finalmente, simulações de CFD foram realizadas sob condições bem misturadas e estratificadas termicamente/quimicamente, considerando diferentes vazões de retirada. Para baixas vazões, a maior parte do fluxo foi retirada das camadas de água superiores. Por outro lado, para altas vazões, um fluxo significativo também foi retirado das camadas de água inferiores. Como resultado desses diferentes padrões de escoamentos induzidos, os valores dos parâmetros de qualidade da água na saída aumentaram até cerca de 30% para condições de água estratificada.

Abstract in English:

ABSTRACT This study investigates numerically the effects of the water intake operation of Castanhão reservoir, Ceará, Brazil. First, transient hydraulic modelling was carried out using ALLIEVI. The results indicated that, even for the fastest closing conditions of the water intake valve, the impact of hydraulic transients was negligible. Next, computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed using FLUENT to investigate the induced flow patterns approaching the water intake. With the turbulence values obtained, an empirical model as a function of the turbulent kinetic energy was applied to assess the thresholds for sediment resuspension. The results showed that the converging flow towards the water intake generated enough turbulence at the bottom of the reservoir to resuspend the sediment. However, the longitudinal extent of resuspension was limited to the areas relatively close to the intake. Finally, CFD simulations were carried out under well-mixed and thermally/chemically stratified conditions and for different withdrawal rates. For low rates, most of the flow was withdrawn from the upper water layers. Contrastingly, for high flow rates, a significant flow was also withdrawn from the lower water layers. As a result, the values of water quality parameters at the outlet increased up to about 30% for stratified water conditions.

Abstract in Portuguese:

Resumo Este estudo avaliou o desempenho do Modelo Climático Regional Eta em reproduzir o clima sazonal na América do Sul, com foco nas bacias dos rios Madeira, São Francisco e Paraná. Para isso, foi construído um conjunto de previsões climáticas sazonais retrospectivas de dez anos, com horizonte de previsão de seis meses na resolução horizontal de 20 km, forçadas pelas condições de contorno lateral do modelo CFSv2. Além do downscaling dinâmico, as saídas de precipitação e temperatura a 2 metros passaram por um downscaling estatístico através da aplicação de correção de viés. Os resultados indicaram que o modelo Eta conseguiu reproduzir de forma razoável os padrões de precipitação e temperatura na região, com alguns erros que foram reduzidos pelo downscaling estatístico. As métricas de avaliação mostraram maior desempenho das previsões nas regiões norte e central do continente. Embora tenha mostrado desempenho misto para eventos extremos—baixo na bacia do Paraná e limitado, mas útil, nas bacias do Madeira e São Francisco—o sistema desenvolvido com o modelo Eta demonstra maior habilidade e valor agregado em comparação ao modelo condutor, indicando potencial para apoiar a gestão de recursos hídricos na América do Sul.

Abstract in English:

Abstract This study aimed to evaluate the performance of the Eta Regional Climate Model in reproducing the seasonal climate over South America for the rainy season from November until April, with emphasis on the Madeira, São Francisco, and Paraná river basins. For this purpose, a 10-year set of 6-month range seasonal hindcasts was produced using the Eta Regional Climate Model at 20-km horizontal resolution driven by the CFSv2 forecasts. In addition to dynamical downscaling, the precipitation and 2-meter temperature were statistically downscaled by applying a Quantile Mapping bias correction. The Eta model forecasts reasonably reproduced the precipitation and temperature patterns in the region, with some errors that were reduced by the statistical downscaling. Precipitation skill scores are higher in the northern and central areas of the continent. Although it has shown mixed performance for extreme events—low in the Paraná basin and limited but useful in the Madeira and São Francisco basins—the dynamical-statistical system developed with the Eta model shows higher skill and added value over the driver model, indicating potential to support water resources management in South America.

Abstract in Portuguese:

RESUMO A análise de frequência de chuvas requer a seleção de um modelo probabilístico adequado para representar os dados amostrais e realizar as estimativas de projeto. Diversas distribuições de probabilidade estão disponíveis para essa finalidade, mas ainda não há consenso sobre qual é a mais apropriada. No Brasil, distribuições como Log-Normal, Gumbel e Generalizada de Valores Extremos (GEV) são frequentemente empregadas, enquanto modelos menos convencionais, como Kappa (KAP) e Wakeby (WAK), necessitam de mais investigação. Este estudo realiza uma avaliação comparativa das distribuições Gumbel, GEV, KAP e WAK para modelar eventos extremos de precipitação no estado do Paraná, escolhidas por sua capacidade de representar uma ampla gama de tipos de dados pluviométricos. Adicionalmente, foi aplicada uma metodologia alternativa para derivar as equações de intensidade-duração-frequência (IDF). Os resultados demonstram que a distribuição GEV apresentou desempenho comparável às distribuições WAK e KAP, enquanto superou a distribuição Gumbel. Além disso, o parâmetro de forma da distribuição GEV exerceu um efeito significativo na precisão das estimativas das relações IDF.

Abstract in English:

ABSTRACT Frequency analysis of rainfall involves selecting a probabilistic model to represent sample data and perform design estimates. Various probability distributions are available for this purpose, but there is no general consensus on the most appropriate one. In Brazil, distributions such as Log-Normal, Gumbel, and Generalized Extreme Value (GEV) are commonly used, while less conventional models like Kappa (KAP) and Wakeby (WAK) require further investigation. This study provides a comparative evaluation of the Gumbel, GEV, KAP, and WAK distributions for modeling extreme precipitation events in the state of Paraná, selected for their ability to represent a broad range of rainfall data types. Additionally, an alternative methodology was applied to derive Intensity-Duration-Frequency (IDF) equations. The results demonstrate that the GEV distribution exhibited performance comparable to the WAK and KAP distributions, while outperforming the Gumbel distribution. Furthermore, the shape parameter of the GEV distribution exerted a significant effect on the accuracy of IDF relationship estimations.

Abstract in Portuguese:

RESUMO Este estudo desenvolveu uma metodologia estruturada e de fácil compreensão para avaliação de alternativas de sistemas de abastecimento de água urbanos sujeitas à variabilidade climática e incertezas profundas. O balanço hídrico em todas as alternativas foi calculado de 2021 a 2060 usando a plataforma Water Evaluation And Planning System (WEAP), incorporando técnicas de tomada de decisão sob incerteza profunda. Um conjunto de cenários de condições climáticas e fatores de incerteza profunda foi definido como um estado do mundo para a comparação do desempenho entre as alternativas. O procedimento estabeleceu objetivos do sistema (minimização de falhas de atendimento, consumo de energia e falhas de reservatórios) e critérios para a avaliação entre as alternativas. A metodologia foi aplicada ao Sistema de Abastecimento de Àgua Urbano no Distrito Federal do Brasil, revelando que uma alternativa de abastecimento demonstrou um melhor desempenho geral sob uma perspectiva multiobjetivo. No entanto, se o objetivo for apenas minimizar a intensidade das falhas de atendimento, uma configuração de abastecimento diferente se mostra mais eficaz. A metodologia permite a seleção da condição que melhor atende aos objetivos e prioridades da concessionária de água ao escolher um objetivo específico. Foi possível ilustrar as compensações que surgem da seleção de objetivos específicos durante a avaliação.

Abstract in English:

ABSTRACT This study developed a structured, easy-to-understand methodology for evaluating urban water supply system alternatives subject to climate variability and deep uncertainties. The water balance in all alternatives was computed from 2021 to 2060 using the Water Evaluation And Planning System (WEAP) platform and incorporating decision making under deep uncertainty (DMDU) techniques. A scenario ensemble of climate conditions and deep uncertainty factors was defined as a state of the world (SOW) for the comparison of performance among the alternatives. The procedure stablished system objectives (minimizing service failure, energy consumption and reservoir failures) and criteria to guide the evaluation among the alternatives. The methodology was applied to the urban water supply system (UWSS) in the Federal District of Brazil, revealing that one specific supply option demonstrated the best overall performance from a multi-objective perspective. However, if the goal is strictly to minimize the intensity of service failures, a different supply configuration emerges as the more effective choice. The methodology allows the selection of the condition that best meet the objectives and priorities of the water utility by choosing specific objective. It was possible to illustrate the tradeoffs that arise from the selection of specific objectives during the evaluation.

Abstract in Portuguese:

RESUMO As ações humanas têm causado múltiplos estresses ecológicos que afetam as biotas nativas. Os biofilmes de rios são grandes agregados compostos por uma ampla gama de organismos. Nos recursos hídricos, os biofilmes estão sujeitos às variações hidrológicas, que podem influenciar os processos das colônias. Este estudo teve como objetivo verificar o estado da arte sobre a relação entre variáveis hidrológicas e biofilmes naturais de rios, por meio de uma revisão de literatura. Os resultados mostram que a variável hidrológica mais recorrente em estudos foi a vazão/fluxos, enquanto para o biofilme a formação de biomassa foi a variável mais frequente. Por representarem uma parcela do início da cadeia trófica, há urgência em verificar os efeitos sinérgicos aos quais os biofilmes estão submetidos em ambientes naturais. Espera-se que esta revisão mostre as abordagens utilizadas para compreender estas relações, e ainda, amplie o cenário atual de pesquisas, para a elucidação de lacunas a serem preenchidas.

Abstract in English:

ABSTRACT Human actions are caused by multiple ecological stresses that affect native biotas. River biofilms are large aggregates composed of a wide range of organisms. In water resources, biofilms are subject to hydrological variations, which can influence colony processes. This study aimed to verify the state of the art on the relationship between hydrological variables and natural river biofilms, through a literature review. The results show that the most recurrent hydrological variable in studies was discharge/fluxes, while for biofilms, biomass formation was the most frequent variable. Because they represent a portion of the beginning of the trophic chain, there is an urgent need to verify the synergistic effects to which biofilms are subjected in natural environments. It is expected that this review will show the approaches used to understand these relationships, and also expand the current research scenario, to elucidate gaps to be filled.

Abstract in Portuguese:

RESUMO O objetivo deste estudofoi avaliar a viabilidade do uso do tojo (Ulex europaeus) na produção de malhas abertas para proteção e revegetação do solo. Esta espécie foi introduzida há vários anos para a criação de cercas naturais. No entanto, devido à sua fácil propagação, causa impactos negativos nos ecosistemas de paramo Colômbia. Por essa razão, entidades governamentais trabalham para erradicar a planta, o que gera grandes quantidades de resíduos e custos adicionais. Para agregar valor a esses resíduos,propôs-se desenvolver malhas de trama aberta a partir de fibras extraídas do caule do arbusto. Para isso, os caules foram caracterizados inicialmente para definir usos potenciais, incluindo testes físicos e mecânicos que avaliaram seu desempenho em laboratório, simulando condições de exposição em campo, em contato com solo e água. Os resultados indicaram que, por meio da extração das fibras, foi possível reaproveitar até 60% dos resíduos, especialmente quando os caules estavam em estágios de maturação avançada. Essas malhas apresentaram um comportamento mecânico confiável. .

Abstract in English:

ABSTRACT This study aimed to assess the feasibility of using common gorse (Ulex europaeus) to produce weaving meshes for soil protection and revegetation. This species was imported several years ago for creating natural fences. However, due to its easy propagation, generates negative impacts on Colombian moor ecosystems. Hence, governmental agencies are struggling with eradicating this shrub, generating lot of waste and additional costs. Thus, to add value, was proposed as an alternative to transform such waste for to develop open weave meshes using fibers extracted from the shrub stem. In doing so, the first stems were characterized to define potential uses. This involved physical and mechanical tests that evaluate performance in the laboratory, simulating field exposure conditions in contact with the soil and water. Results showed that, through fiber extraction, 60% of waste reuse was achieved when stems were in mature stages. This meshes accounted for a reliable mechanical behavior.

Abstract in Portuguese:

RESUMO Sob condições naturais de ocorrência, o fenômeno da cavitação torna-se difícil de medir, essencialmente, devido às características nas quais o fluxo se encontra, ou seja, fluxos de alta velocidade e pressões locais abaixo das pressões de vaporização do líquido. Estudos utilizando dispositivos de cavitação tipo Venturi, que fornecem a análise desse fenômeno em condições mais próximas das quais os materiais de revestimento de superfícies de concreto são submetidos. Assim, a presente pesquisa, utilizando um dispositivo de cavitação, com uma velocidade de fluxo (V) de 30 m/s e um fluxo de descarga de 60 l/s, analisou os danos causados às superfícies de blocos de concreto com uma relação água/cimento (a/c) de 0,35; 0,45; 0,50 e 0,65. Os testes foram realizados na instalação experimental do Laboratório de Obras Hidráulicas da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (LOH/UFRGS). Os resultados da profundidade máxima de dano (hmáx.) foram correlacionados aos parâmetros característicos do concreto e do fenômeno da cavitação por meio da aplicação de estudos já bem fundamentados por Peterka (1953); Gal’perin et al. (1971) e Kudriashov (1983). Finalmente, novas ferramentas gráficas para analisar os danos decorrentes do fluxo cavitante em superfícies de concreto foram obtidas de acordo com a resistência média à compressão nos concretos testados.

Abstract in English:

ABSTRACT Under natural conditions of occurrence, the phenomenon of cavitation becomes difficult to measure due, essentially, to the characteristics in which the flow is found, that is, high-speed flows and local pressures below the vaporization pressures of the liquid. Studies using type -Ventury cavitation devices, which provide the analysis of this phenomenon in conditions closer to those to which concrete surface coating materials are subjected. Thus, the present research, using cavitation device, with a flow of velocity (V) of 30 m/s and a discharge flow of 60 l/s, analyzed the damage caused to the surfaces of concrete blocks with a water/cement ratio (w/c) of 0.35; 0.45; 0.50 and 0.65. The tests were carried out in the experimental installation of the Laboratório de Obras Hidráulicas of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul (LOH/UFRGS). The results of maximum damage depth (hmáx.) were correlated to the characteristic parameters of the concrete and the cavitation phenomenon through the application of already well-founded studies by Peterka (1953); Gal’perin et al. (1971) and Kudriashov (1983). Finally, new graphical tools for analyzing damage arising from cavitating flow on concrete surfaces were obtained according to the average compressive strength in the concretes tested.

Abstract in Portuguese:

RESUMO Apresentamos uma visão geral do evento hidrológico sem precedentes que ocorreu no estado do Rio Grande do Sul no final de abril e início de maio de 2024, causando inundações e movimentos de massa em uma escala nunca vista no Brasil. A precipitação que causou o desastre é incomparável a qualquer evento recente no país em termos de escala espacial e temporal. A intensa e prolongada precipitação resultou em enchentes recordes, desde pequenos rios com áreas de drenagem abaixo de 1.000 km2 até a Laguna dos Patos, que drena mais de 180.000 km2. As chuvas também levaram a movimentos de massa que ocupam o primeiro lugar no Brasil em termos de extensão espacial e número de ocorrências. Enchentes rápidas com níveis extremos de água ocorreram em regiões montanhosas, enquanto nas áreas mais baixas as cheias tiveram longa duração, com os níveis de água permanecendo elevados por cerca de 30 dias. Este desastre provavelmente ocupa a primeira posição no Brasil em número de pessoas deslocadas e danos a propriedades e infraestruturas. Quase 200 fatalidades ocorreram devido ao desastre e falhas em estruturas de proteção. O evento hidrológico de abril e maio oferece um vislumbre do que pode ser esperado nas próximas décadas devido às mudanças climáticas em uma região que abrange o Sul do Brasil e partes dos países vizinhos.

Abstract in English:

ABSTRACT We present an overview of the unprecedent hydrological event that occurred in Rio Grande do Sul state in late April and early May 2024, causing floods and landslides in a scale that was not seen before in Brazil. The rainfall that caused the disaster is incomparable to any recent event in Brazil at large spatial and temporal scale. The intense and long-lasting precipitation led to record floods from small rivers with drainage areas below 1000 km2 to the Patos Lagoon, which drains more than 180,000 km2. The rainfall also led to landslides that rank first in Brazil in terms of spatial scale and number of occurrences. Mountain rivers experienced flash floods with extreme water levels, while in the lowlands the large rivers and the Patos Lagoon experienced long duration flooding, with stage remaining high for about 30 days. The flood event is probably ranked first in terms of displaced people and damage to property and infrastructure in Brazil. Almost 200 fatalities occurred due to the disaster and protection structure failures. The April-May hydrological event show a glimpse of what can be expected along the coming decades due to climate change in a region that covers South Brazil, and parts of the neighboring countries.