Hydraulic and water quality model for a river network

A river network system consisting of branches and loops is sometimes complicated by downstream effects from tides, lakes, and because of this, management of water quality, sediment control, and floods, in such rivers is a difficult task. Development of tools to aid in the management decision-making process is an important area of research; ultimately resulting in more reliable results. River behavior can be modeled in detail (one-, two-, or three-dimensional models) with a digital computer using numerical methods. Usually the level of detail is determined by the size of the system. Large system models are restricted in size and detail due to the high cost and storage requirements of the computer. A model was developed to simulate the hydraulic behavior and water quality of a river network on a one-dimensional representation. The two complete St. Venant equations and the transport equation were solved by the finite difference method. The transport equation utilizes the advection, dispersion, and source and sink terms. The system of equations resulting from use of an implicit scheme was solved by a modified Gauss elimination procedure. The model can simulate biochemical oxygen demand, dissolved oxygen, or any other conservative substance. The basic equations are solved; thus, the simulation of other substances can be added to the model by including the mathematical description of the reaction processes in the source and sink terms of the transport equation. The hydraulic module of the model was adjusted and verified with data from the Jacui Delta, Brazil. Good agreement between the calculated results and the observed data resulted. The water quality model was tested under hypothetical conditions for the same Delta in order to demonstrate the utility of the mathematical model in making decisions at the management level. This model is a mathematical method that can be used in large systems of variable complexity to help in understanding their processes, controlling data measurements, and reaching sound management decisions

Otimização dos parâmetros de modelos hidrológicos

Este trabalho apresenta as técnicas de otimizaçao iterativas aplicada a modelos de simulação hidrológica. Para tanto utilizamos os modelos de propagação do tipo "descarga-descarga", descrevendo três desses modelos e utilizando num problema prático dois deles, otimizando seus parâmetros pelas técnicas apresentadas em detalhe. No trabalho é utilizado um programa de computador onde é descrita a sua estrutura e como deve ser usado

Drenagem urbana

O ciclo hidrológico sofre fortes alterações nas áreas urbanas devido, principalmente, à alteração da superfície e a canalização do escoamento, aumento de poluição devido à contaminação do ar, das superfícies urbanas e do material sólido disposto pela população. Esse processo apresenta grave impacto nos países em desenvolvimento, onde a urbanização e as obras de drenagem são realizadas de forma totalmente insustentável, abandonada pelos países desenvolvidos já há trinta anos. Neste artigo são apresentados os principais impactos de quantidade e de qualidade produzidos na drenagem, as medidas de controle atuais, as medidas sustentáveis a serem perseguidas no país e por um Plano Diretor de Drenagem Urbana, mecanismo de implementação das medidas sustentáveis na drenagem

Uso de indicadores para avaliação de usinas hidrelétricas em bacias hidrográficas com múltiplos aproveitamentos

Este artigo apresenta uma metodologia que foi utilizada para fazer-se uma avaliação preliminar de usinas hidrelétricas em uma bacia hidrográfica com múltiplos aproveitamentos. A metodologia baseia-se no uso de cinco indicadores que requerem informações relativamente fáceis de se obter. Os indicadores utilizados foram: (a) tendência de estratificação térmica, (b) cargas de poluentes contribuintes aos reservatórios, (c) cargas de poluentes por unidade de volume de reservatório, (d) cargas admissíveis de nutrientes e (e) relação entre potência gerada e potencial de eutrofização. O método foi aplicado a 30 reservatórios de usinas hidrelétricas de pequeno e médio porte planejadas para a bacia hidrográfica dos rios Taquari-Antas, Brasil. O método pode ser utilizado na fase de inventário, precedendo uma avaliação integrada de toda a bacia através da simulação hidrológica.This paper presents a methodology that was used to make a preliminary assessment of multiple hydroelectric power plants planned to be built in a basin. The methodology uses five indicators that require data that are relatively easily to acquire. The indicators are: (a) thermal stratification, (b) pollutant loading to reservoirs, (c) pollutant loading per unit volume of reservoir, (d) nutrient allowable loadings, and (e) rate between power and eutrophication potential. The methodology was applied to 30 reservoirs of small and medium size hydroelectric power plants that are being planned for the Taquari-Antas river basin, Brazil. The methodology can be applied at the inventory phase, preceding the basin integrated assessment through hydrologic simulation

Uncertainty in climate change impacts on water resources in the Rio Grande Basin, Brazil

We quantify uncertainty in the impacts of climate change on the discharge of Rio Grande, a major tributary of the Paraná River in South America and one of the most important basins in Brazil for water supply and hydro-electric power generation. We consider uncertainty in climate projections associated with the greenhouse-gas emission scenarios (A1b, A2, B1, B2) and increases in global mean air temperature of 1 to 6° C for the HadCM3 GCM (Global Circulation Model) as well as uncertainties related to GCM structure. For the latter, multimodel runs using 6 GCMs (CCCMA CGCM31, CSIRO Mk30, IPSL CM4, MPI ECHAM5, NCAR CCSM30, UKMO HadGEM1) and HadCM3 as baseline, for a +2° C increase in global mean temperature. Pattern-scaled GCM-outputs are applied to a large-scale hydrological model (MGB-IPH) of Rio Grande Basin. Based on simulations using HadCM3, mean annual river discharge increases, relative to the baseline or control run period (1961–1990), by +5% to +10% under the SRES emissions scenarios and from +8% to +51% with prescribed increases in global mean air temperature of between 1 and 6° C. Substantial uncertainty in projected changes to mean river discharge (−28% to +13%) under the 2° C warming scenario is, however, associated with the choice of GCM. We conclude that, in the case of Rio Grande Basin, the most important source of uncertainty derives from the GCM rather than the emission scenario or the magnitude of rise in mean global temperature

Modeling the role of reservoirs versus floodplains on large-scale river hydrodynamics

Large-scale hydrologic–hydrodynamic models are powerful tools for integrated water resources evaluation at the basin scale, especially in the context of flood hazard assessment. However, recent model developments have paid little attention to simulate reservoirs’ hydrodynamics within river networks. This study presents an adaptation of the MGB model to simulate reservoirs as an internal boundary condition, enabling the explicit simulation of hydrodynamic processes along reservoirs and their interaction with upstream and downstream floodplains in large basins. A case study is carried out in the Itajaí-Açu River Basin in Brazil, which has periodic flood-related disasters and three flood control dams. The model was calibrated for the 1950–2016 period forced with daily observed precipitation. The adjustment was satisfactory, with Nash–Sutcliffe metrics between 0.54 and 0.84 for the 11 gauges analyzed and with flood frequency curves also well represented. Simulation scenarios with and without floodplains and reservoirs were performed to evaluate the relative role of these factors on flood control basin-wide through evaluation of simulated discharges, water levels and flood extent. Itajaí do Oeste tributary and Itajaí-Açu mainstem present major floodplain attenuation, while in Itajaí do Sul and Itajaí do Norte tributaries the main flood control occurs due to reservoir attenuation. Downstream from the dams, results indicated that the reservoirs reach their maximum discharge reduction capacity for 5- to 10-year floods, decreasing it for larger floods. The developed model may be very useful for operational uses as flood forecasting and coordinated reservoir operation studies, as well as to enhance the comprehension of flood dynamics at basin scale

Operação de um reservatório com múltiplos usos com base na previsão de curto prazo de vazão

Os reservatórios operados para atender demandas de água para abastecimento, irrigação e geração de energia são, normalmente, mantidos em níveis tão altos como possível para garantir uma reserva de água que será utilizada durante os períodos críticos de estiagem. Por sua vez, reservatórios operados com o objetivo de reduzir inundações a jusante da barragem são mantidos em níveis mínimos para que as cheias possam ser absorvidas e as vazões máximas reduzidas. Quando um mesmo reservatório é operado para atender os dois tipos de objetivos surgem conflitos. A previsão de vazão afluente a reservatórios pode ser útil para reduzir esses conflitos. Porém, os benefícios da previsão dependem da eficiência dos modelos de previsão e da forma como a informação da previsão é incorporada na tomada de decisão sobre a operação. Neste trabalho é apresentado um modelo de simulação da operação de um reservatório com base na previsão de vazão afluente. Como base para as análises, foram utilizados dados relativos ao reservatório de Três Marias, no Rio São Francisco. Os resultados obtidos são promissores e mostram que as previsões de curto prazo de vazão afluente ao reservatório podem melhorar a eficiência das regras de operação em reservatórios com usos múltiplos.Conflicts often arise for reservoirs with multiple water uses, such as power generation, irrigation and flood control. While high levels are desired to store water that will be used during the dry season, low levels in the reservoirs can reduce flood damages. Inflow forecasting can be used to improve reservoir management, minimizing conflicts in multipurpose reservoir operation. Benefits are dependent on the skill of the forecasts itself and on how these forecasts are taken into account during the process of decision concerning the reservoir operation. This study presents an application of a simulation model that considers available forecast in the reservoir operation. The Três Marias dam, on the São Francisco river basin, was selected as a study case, mainly because of the availability of short­term forecast data from previous work. Results are promising and show that short­term forecasts can be introduced in operation simulation and can improve the efficiency of operation rules in multipurpose reservoirs

Estudo para avaliação e gerenciamento da disponibilidade hídrica da bacia da Lagoa Mirim

A Lagoa Mirim é um dos principais sistemas naturais existentes no Rio Grande do Sul. O desenvolvimento da região é baseado fundamentalmente na disponibilidade de recursos hídricos e a sua interação com as demandas, existentes e de futuros cenários previstos. O principal recurso hídrico desta região, a Lagoa Mirim, é compartilhada com o Uruguai, desta forma envolve uma Gestão dos Recursos Hídricos baseada na administração do Estado, Federação e na estratégia do Brasil neste contexto. Os condicionantes ambientais regionais envolvem a conservação da estação ecológica do Taim, administrada pelo IBAMA - Instituto Brasileiro de Meio Ambiente, que está sujeita a ações antrópicas, já que na sua bacia hidrográfica existe uma grande retirada de água para irrigação. Este estudo é voltado fundamentalmente para uma avaliação global dos condicionantes de disponibilidade e demanda de recursos hídricos nesta região. O estudo foi contratado pelo estado do Rio Grande do Sul. Especificamente os objetivos são os seguintes: Caracterização do comportamento da Lagoa Mirim e do sistema do Taim; Estabelecer o balanço hídrico da Lagoa Mirim através da avaliação da sua disponibilidade hídrica, face as demandas de água existentes na região