ABSTRACT Seeking an alternative for public water supply, the Water and Sewage Company of the State of Ceará launched a public biding for the implementation of a desalination plant. The hypersaline solution, discarded from the desalination process, will be dumped into the sea. Due to the density difference between the fluids, the outflow is divided into two regions: ascending jet, with large momentum; and descending fountain, where the flow is governed by the negative buoyancy. This research presents a computational fluid dynamics modeling of jets and fountains, through the Ansys Fluent software, focusing on the project conditions presented for the desalination plant in Fortaleza. The model was compared to the data available in the literature and then simulated for the characteristics of the Water and Sewage Company of the State of Ceará desalination plant. In addition, the results were compared to those obtained through simulations with the integral Visual Plumes software for different discharge angles (30°, 45°, 60° and 90°). The results revealed a good agreement with published data, generating the equation Zm/D = 1,8 Fr, which is able to predict the height reached by the jets/fountains (Zm), based on the diffuser diameter and the Froude number. The computational fluid dynamics simulations produced similar results as those obtained with Visual Plumes.

RESUMO Visando a uma alternativa ao abastecimento público de água, a Companhia de Água e Esgoto do Ceará lançou edital para implantação de uma planta de dessalinização. A solução hipersalina, rejeito do processo de dessalinização, será despejada no mar. Pela diferença de densidade entre os fluidos, o escoamento se divide em duas regiões: jato ascendente, com grande quantidade de movimento; e fonte descendente, onde o fluxo é governado pelo empuxo negativo. A presente pesquisa apresenta uma modelagem da dinâmica dos fluidos computacional (computational fluid dynamics) de jatos e fontes, através do software Ansys Fluent, com foco nas condições de projeto apresentadas para a planta de dessalinização de Fortaleza. O modelo foi comparado aos dados disponíveis na literatura e, em seguida, simulado para as características da planta de dessalinização da Companhia de Água e Esgoto do Ceará. Além disso, os resultados foram comparados aos obtidos através de simulações com o software integral Visual Plumes para diferentes ângulos de descarga (30°, 45°, 60° e 90°). Os resultados apresentaram boa concordância com os trabalhos publicados, gerando a equação Zm/D = 1,8 Fr, capaz de predizer a altura alcançada por jatos/fontes (Zm), dados o diâmetro do difusor e o número de Froude. As simulações do tipo computational fluid dynamics foram semelhantes às obtidas com o Visual Plumes.

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.

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 Chlorophyll a (Chla) concentration is an important indicator to characterize algal biomass, reflecting water quality and the level of eutrophication of aquatic environments. This study analyzed 4315 total nitrogen (TN) and Chla samples in 155 reservoirs in Ceará, Brazil. Relationships were obtained between TN and Chla through simple linear regression and classified according to the statistical performance of the coefficient of determination (R²). The dynamics of these correlations were examined by analyzing the variance between classification groups concerning watershed, reservoir size, coefficient of variability, and trophic state. The concentration of pollutants was influenced by seasonality, which increased significantly from the wet to the dry period in most basins. The coefficients of determination between Chla and TN for the watersheds followed the trends of classic curves in the literature, with satisfactory models (R² > 0.3) in most reservoirs (53.3%). The variance analysis attested that the models’ performance was affected by the basins, the volumetric variation, and the change in the trophic state levels. There was no significant variance of R² between reservoirs of different sizes.

RESUMO A concentração de clorofila a (Cla) é um indicador importante para caracterizar a biomassa de algas, refletindo a qualidade da água e o nível de eutrofização dos ambientes aquáticos. Este estudo analisou 4.315 amostras de nitrogênio total (NT) e Cla em 155 reservatórios do Ceará, Brasil. As relações entre NT e Cla foram obtidas por meio de regressão linear simples e classificadas de acordo com o desempenho estatístico do coeficiente de determinação (R2). A dinâmica dessas correlações foi examinada mediante a variância entre os grupos de classificação quanto à bacia hidrográfica, tamanho do reservatório, coeficiente de variabilidade e estado trófico. A concentração de poluentes foi influenciada pela sazonalidade, que aumentou significativamente do período chuvoso para o seco na maioria das bacias. Os coeficientes de determinação entre Cla e NT para as bacias hidrográficas seguiram as tendências das curvas clássicas literárias, com modelos satisfatórios (R2 > 0,3) na maioria dos reservatórios (53,3%). A análise de variância atestou que o desempenho dos modelos foi influenciado pelas bacias, pela variação volumétrica e pela mudança nos níveis de estado trófico. Não houve variação significativa de R2 entre reservatórios de diferentes tamanhos.

RESUMO Na concepção de obras hidráulicas, como as barragens, necessita-se, para um dimensionamento seguro, de estudos referentes às vazões máximas. O estado do Ceará é caracterizado por apresentar um número elevado de reservatórios projetados por equações empíricas antigas. Entretanto, devido aos poucos dados existentes em algumas regiões, necessita-se transpor informações das regiões monitoradas para as não monitoradas. Este trabalho elaborou modelos de regionalização para a obtenção de vazões máximas para períodos de retorno de 1.000 e 10.000 anos em barragens localizadas no Ceará. As variáveis empregadas nas equações foram: área de drenagem da bacia, comprimento do rio principal, tempo de concentração, precipitação com duração de uma hora e diferença de cota entre o exultório e o ponto mais remoto da bacia. Utilizaram-se os dados de projeto de 30 barragens e calcularam-se as vazões máximas por meio do software HEC-HMS. Os testes estatísticos e os valores dos coeficientes de determinação (0,95) permitem considerar as equações adimensionais propostas consistentes e passíveis de serem utilizadas em análises preliminares de projetos hidráulicos.

ABSTRACT In the design of hydraulic works, such as dams, studies referring to the peak flow rates are required for safe dimensioning. The state of Ceará is characterized by having a high number of reservoirs designed by ancient empirical equations. However, due to the limited data available in some regions, it is necessary to transpose information from monitored regions to unmonitored ones. This work elaborated regionalization models to obtain peak flows for return periods of 1,000 and 10,000 years in dams located in Ceará. The variables used in the equations were: drainage area of the basin, length of the main river, concentration time, rainfall lasting 1 hour, and the difference in elevation between the basin and the most remote point of the basin. Project data from 30 dams were used and the peak flows were calculated using the HEC-HMS software. The statistical tests and the values of the determination coefficients (0.95) allow to consider the proposed dimensionless equations consistent and capable of being used in preliminary analyzes of hydraulic projects.

Resumo O presente artigo apresenta estudos experimentais com o objetivo de analisar o comportamento de jatos d'água ascendentes em leitos granulares. As condições de teste incluíram tanto o regime da cavidade, quanto o regime de chaminé. Combinando os resultados obtidos com dados disponíveis na literatura, foi possível ajustar uma relação linear para descrever a velocidade ascendente adimensional da água na superfície do leito granular (u/U) em função de kFr, em que Fr é o número de Froude e k é um parâmetro de ajuste linearmente dependente do diâmetro médio da partícula, d. Foi proposta uma condição limite (kFr = 1) para prever o início do regime de chaminé, que se apresenta em concordância com dados publicados. Por fim, uma equação simples baseada em d, D e H foi derivada para prever a taxa de vazamento em escala real, Q, de jatos de água ascendentes que atingem o solo. Os resultados obtidos podem ajudar as concessionárias de água a estimar a perda de água em tubulações enterradas.

Abstract This paper presents experimental studies to explore the behavior of upward water jets in granular beds. The test conditions included both the cavity and chimney regime. Combining our results with data available in the literature, it was possible to fit a linear relationship to describe the dimensionless upward water velocity at the bed surface (u/U) as a function of kFr, in which Fr is the Froude number and k is a fitting parameter that was linearly related with the medium particle diameter d. A threshold condition (kFr = 1) was also proposed to predict the onset of the chimney regime, which was consistent with published data. Finally, a simple equation based on d, D and H was derived to predict the real-scale leakage flow rate Q from upward water jets bursting at the ground. The results obtained will potentially help water utilities estimate the water loss from underground pipelines.

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.

RESUMO Os sistemas de drenagem urbana podem representar fontes de aporte de poluentes aos corpos receptores aos quais se destinam. Diante disso, o presente trabalho teve como objetivo propor uma ferramenta para modelagem do sistema de drenagem urbana da bacia da Vertente Marítima de Fortaleza, Ceará, visando à avaliação das cargas bacteriológicas. Para esse fim, foi selecionado o stormwater management model (SWMM) para as simulações hidrológicas e hidráulicas; propôs-se uma metodologia para o cálculo das cargas bacteriológicas por meio da estimativa da carga difusa [CD] (NMP. dia-1.ha-1) e para a correlação desta com uma série de variáveis hidroambientais; e analisaram-se cenários para diferentes condições de precipitação pluviométrica, coleta de esgoto e resíduos sólidos dispostos inadequadamente (RSDI). Os resultados mostraram que o SWMM oferece respostas representativas e que o período chuvoso é responsável pelo maior aporte da carga bacteriológica à orla. Em relação ao modelo preditivo, foi ajustada uma função de potência de segunda ordem correlacionando CD com a precipitação média mensal (mm.dia-1) para as três sub-bacias analisadas. Posteriormente, os coeficientes das equações encontradas foram correlacionados ao indicador RSDI (kg.dia-1), obtendo-se um ajuste logarítmico (R2 = 0,99), com o qual é possível gerar uma equação de estimativa de CD para qualquer sub-bacia da Vertente Marítima. A análise dos cenários mostrou haver aumento significativo da carga em precipitações extremas (2 vezes) e diminuição considerável com a elevação da fração da população interligada à rede de esgoto, bem como diminuição da produção de RSDI (0,28 e 0,38 vezes do valor inicial nos Riachos Jacarecanga e Maceió, respectivamente).

ABSTRACT Urban drainage systems can represent sources of pollutants input to the receiving bodies for which they are intended. Therefore, the present work aims to propose a tool for modeling the urban drainage system of the Vertente Marítima basin of Fortaleza, Ceará, aiming at the evaluation of bacteriological loads. For this purpose, the Stormwater Management Model (SWMM) was selected for the hydrological and hydraulic simulations; a methodology for the calculation of bacteriological loads was proposed by estimating the diffuse load [DL] (MPN, day-1.ha-1) and its correlation with a series of hydro-environmental variables and scenarios for different pluviometry precipitation conditions were analyzed, as well as sewage collection and inadequately disposed solid waste (IDSW). The results show that SWMM gives representative results and that the rainy season is responsible for the greater contribution of the bacteriological load to the seafront. Regarding the predictive model, a second-order potential function was adjusted by correlating DL with the average monthly precipitation (mm.day-1) for the three sub-basins analyzed. Subsequently, the coefficients of the equations found were correlated to IDSW (kg.day-1), obtaining a logarithmic adjustment (R2 = 0.99), with which it is possible to obtain a DL estimation equation for any sub-basin of Vertente Marítima. An analysis of the scenarios showed a significant increase of the load in extreme precipitations (twice) and a considerable decrease with the increase of the fraction of the population connected to the sewage network and the decrease of IDSW production (0.28 and 0.38 times the initial value in the Jacarecanga and Maceió Stream, respectively).

RESUMO No presente trabalho, avaliou-se em escala de laboratório e por meio de modelagem matemática o processo de desestratificação da coluna d’água usando aeração por ar difuso. Foram identificados dois padrões de escoamento: um regime de pluma, no qual o escoamento induzido pelas bolhas penetra na interface entre as duas camadas de diferentes densidades e ascende à superfície da água; e um regime de fonte, no qual o escoamento penetra parcialmente na interface e colapsa para formar uma camada de densidade intermediária. Os resultados experimentais mostraram que o regime de pluma promove mistura mais rápida da camada superior (epilímnio) do que o regime de fonte. Os tempos de mistura da camada inferior (hipolímnio), entretanto, foram praticamente os mesmos para os dois regimes. Após o ajuste de parâmetros do modelo que descreve a incorporação do fluido ambiente na pluma e na fonte, pôde-se simular o processo de desestratificação da coluna d’água com boa aderência aos dados experimentais obtidos nesta pesquisa e em trabalhos anteriores. Por fim, o modelo validado foi aplicado para a simulação do impacto de diferentes vazões de ar na evolução temporal do processo de desestratificação de reservatórios (escala real), sendo discutidos os custos com energia elétrica para bombeamento e as possíveis implicações na qualidade da água desses corpos hídricos.

ABSTRACT In the present work, the destratification process of water column using diffused-aeration was evaluated at laboratorial scale by mathematical modelling. Two flow patterns were identified, a plume regime, in which the bubble-induced flow penetrates the interface (density gradient) and rises to the water surface, and a fountain regime, in which the flow partially penetrates the interface and collapses to form an intermediate-density layer. The experimental results showed that the plume regime promotes a faster mixing of the upper layer (epilimnion) than the fountain regime. However, the mixing times of the lower layer (hypolimnion) were practically the same for both regimes. After adjusting the parameters that describe the entrainment of the ambient fluid into the plume and fountain, it was possible to simulate the process of water column destratification with good adherence to the experimental data obtained in this research and previous studies. Finally, the validated model was applied to simulate the impact of different airflow rates on the reservoir destratification process’ (real scale) time evolution, and the possible implications for the water quality of these water bodies were discussed.

RESUMO Plumas ocorrem quando um fluido é descarregado em outro fluido com densidade diferente, como poluentes na atmosfera. Neste trabalho, desenvolveu-se um estudo experimental em um tanque de água e modelagem matemática usando a abordagem integral com o intuito de investigar o escoamento gerado por plumas salinas em escoamento uniforme e com estratificação de duas camadas. Os resultados indicaram que a altura da camada superior (menos densa) aumentou com a vazão de retirada da camada inferior e diminuiu com o fluxo de empuxo da pluma, corroborando os resultados disponíveis na literatura para sistemas alimentados por fontes pontuais (não uniformes). Após ajuste de parâmetros presentes na teoria clássica para plumas turbulentas, foi possível prever a altura da interface com desvios máximos de ±8% e coeficiente de Nash-Sutcliffe de 0,98. Isso indica que o escoamento uniforme não afetou significativamente a hidrodinâmica das plumas em comparação a estudos anteriores. Por outro lado, diferentemente dos sistemas alimentados por fontes pontuais, as linhas de fluxo obtidas por meio da injeção de corante no escoamento uniforme seguiram padrão de escoamento potencial, com toda a vazão sendo direcionada para a pluma e não havendo, portanto, mistura na interface entre as duas camadas. Dessa forma, partindo do princípio de conservação de massa, foram propostas equações para gerar as linhas de fluxo ao redor das plumas, as quais foram confirmadas com os dados experimentais. Finalmente, foram apresentadas aplicações práticas do modelo proposto em sistemas de ventilação natural em edifícios e descarga de poluentes na atmosfera sob condição de inversão térmica.

ABSTRACT Plumes occur when a fluid is discharged into another fluid with different density, such as pollutants in the atmosphere. In this work, an experimental study was carried out in a water tank and a mathematical modelling using the integral approach was performed to investigate the flow generated by saline plumes in uniform flow with two-layer stratification. The results indicated that the upper layer’s height (less dense) increased with the outflow from the lower layer, and decreased with the buoyancy flux of the plume, confirming the results available in the literature for systems supplied by point sources (non-uniform sources). After fitting the parameters of the classical theory for turbulent plumes, it was possible to predict the interface’s height with a maximum deviation of ±8%, and a Nash-Sutcliffe coefficient of 0.98. This indicates that the uniform flow did not affect significantly the plumes’ hydrodynamics compared to previous studies. On the other hand, unlike the systems supplied by point sources, the streamlines obtained through the injection of dye into the uniform flow followed a potential flow pattern, with all the flow being directed to the plume, therefore not mixing at the interface between the two layers. Thus, based on the principle of mass conservation, equations were proposed to generate the streamlines around the plumes, which were validated with the experimental data. Finally, practical applications of the proposed model in natural ventilation in buildings and pollutant discharges in the atmosphere were presented.

RESUMO Este estudo mostra como o processo de sedimentação em reservatórios afeta o balanço entre vazão regularizada, sangria e perdas por evaporação em reservatórios do estado do Ceará. Presume-se que os reservatórios tenham, inicialmente, forma cônica invertida. Foram investigadas três formas de sedimentação: tipo 1, com deposição paralela ao perímetro molhado; tipo 2, com deposição distribuída proporcionalmente à profundidade da água; e tipo 3, com deposição concentrada no fundo do reservatório. Esses padrões de sedimentação foram encontrados em diversos reservatórios do Ceará, com capacidades de aproximadamente 0,5 a 100 hm3. No entanto, o padrão tipo 2 foi o mais frequente. Neste trabalho, foram estudados cinco grandes reservatórios, com capacidades superiores a 100 hm3, utilizando-se a abordagem de Monte Carlo e levando em conta o assoreamento ao longo do horizonte temporal. Verificou-se que a distribuição de sedimentos pode afetar significativamente o balanço entre vazão regularizada, sangria e perdas por evaporação em grandes reservatórios. Os resultados para o padrão tipo 1 têm menor impacto sobre a vazão regularizada do reservatório, seguido dos tipos 2 e 3. Para o reservatório Cedro, a vazão regularizada seria zero em 2115, assumindo um padrão de deposição tipo 3. Esses resultados reforçam a necessidade de monitoramento do assoreamento em grandes reservatórios do semiárido brasileiro. Além disso, este estudo fornece uma metodologia relativamente simples para prever o impacto do assoreamento na relação entre vazão regularizada, sangria e perdas por evaporação, para os três padrões de sedimentação mais comumente encontrados.

ABSTRACT This study shows how the sedimentation process in reservoirs affects the yield-spill-evaporation losses in reservoirs of Ceará State, Brazilian Northeast. Reservoirs are assumed to have, initially, inverted conical shape. Three forms of sedimentation were investigated: type 1, with deposition occurring parallel to the wetted perimeter; type 2, deposition distributed proportionally to the water depth; and, type 3, deposition concentrated in the reservoir bottom. These sedimentation patterns were found in many reservoirs in Ceará, with capacity ranging from about 0.5 to 100 hm3. Nevertheless, type 2 pattern was the most frequent. In this paper, five large reservoirs, over 100 hm3, were studied using Monte Carlo approach, and considering the silting over the time horizon. It was found that sediment distribution can significantly affect the yield-spill-evaporation trade-off on large reservoirs. Type 1 results have the lowest impact on reservoir yield, followed by type 2 and type 3. For Cedro reservoir, the yield would go to zero in 2115, assuming a type 3 deposition pattern. These results reinforce the need for monitoring sedimentation in large reservoirs in the Brazilian semiarid region. In addition, this study provides a relatively simple methodology to predict the impact of siltation on reservoir yield-spill-evaporation relationships, for the three most found patterns of sedimentation.

RESUMO O artigo teve como objetivo apresentar uma metodologia para caracterização da qualidade de água na Bacia Hidrográfica do Açude Acarape do Meio, no semiárido brasileiro. O mapeamento do uso do solo e o monitoramento de parâmetros de qualidade de água possibilitaram a identificação de fontes poluidoras e a construção do diagnóstico da bacia. A partir da modelagem da qualidade de água, 37 km do Rio Pacoti foram classificados como classe 4, exceto sua nascente, que ficou na classe 2. As principais fontes poluidoras para a degradação dos corpos hídricos foram as deficitárias Estações de Tratamento de Esgoto (ETEs), a falta de saneamento básico na zona rural, a pecuária e a atividade agrícola. O modelo QUAL-UFMG estimou a carga de entrada de fósforo no açude em 13,7 ton.ano-1 para uma concentração de 0,56 mg.L-1 e vazão média em 1,48 m³.s-1. Os coeficientes calibrados K1, Ks, Kd, Kb, Kspo, Koi e K2 foram iguais a 0,45 d-1, 0,29 d-1, 0,68 d-1, 0,65 d-1, 0,1 d-1, 0,01 d-1 e 5,4 d-1, respectivamente. Avaliaram-se as intervenções políticas e infraestruturais na bacia em dois cenários: melhoria na eficiência de operação das ETEs e efetivação de políticas públicas, que reduziram consideravelmente a carga de fósforo.

ABSTRACT This paper aimed at presenting a methodology for evaluating the water quality at the Acarape do Meio catchment, in the Brazilian semiarid. The land use mapping and monitoring of water quality parameters enabled the identification of main polluting sources and the construction of a catchment diagnosis. According to the water quality modelling, a stretch of 37 km along the Pacoti River was classified as class 4, except for those ones located at the catchment headwater, which was classified as class 2. The main polluting sources contributing to the water degradation were the inefficient Sewage Treatment Plants, the lack of basic sanitation in rural areas, livestock and agriculture activities. The QUAL-UFMG model estimated an affluent phosphorous load at the reservoir entrance of 13.7 ton.year-1 for the concentration of 0.56 mg.L-1 and mean water discharge of 1.48 m³.s-1. The K1, Ks, Kd, Kb, Kspo, Koi and K2 coefficients were 0.45, 0.29, 0.68, 0.65, 0.1, 0.01 and 5.4 d-1, respectively. The impacts of political and infrastructural measures over the catchment were evaluated taking into account two scenarios: improvement of efficiency at Sewage Treatment Plants and implementation of effective public policies, which reduced significantly the affluent phosphorous load into the reservoir.

RESUMO O crescimento desordenado da capital piauiense - marcado, sobretudo, pela ocupação habitacional às margens do rio Poti e pela existência de ligações clandestinas de esgoto bruto nas tubulações de drenagem pluvial - tem contribuído significativamente para a poluição das águas da bacia hidrográfica do rio Parnaíba (região semiárida do Brasil). A presente pesquisa tem como objetivo realizar a modelagem matemática da qualidade da água em um trecho de 36,8 km de extensão do rio Poti, com base na plataforma QUAL-UFMG. A pesquisa apresenta-se como o primeiro estudo envolvendo modelagem da qualidade da água no referido rio. Os componentes modelados foram: oxigênio dissolvido (OD), demanda bioquímica de oxigênio (DBO) e coliformes termotolerantes (CT). Os resultados das medições de campo indicaram desconformidades do parâmetro CT com relação à Resolução CONAMA nº 357/2005. A calibração dos coeficientes de decaimento para cada parâmetro resultou em desvios médios entre dados medidos e modelados de até 20% e coeficientes de eficiência de Nash-Sutcliffe superiores a 0,75, o que indica que o QUAL-UFMG pode ser utilizado como base para predição da qualidade da água em rios localizados em regiões semiáridas. O modelo calibrado também foi comparado aos dados de campo obtidos na literatura. Finalmente, foram realizadas simulações do modelo para diferentes cenários de vazão (mínimas e máximas), apresentando resultados coerentes e que podem ser utilizados para a gestão dos recursos hídricos do estado do Piauí.

ABSTRACT The uncontrolled growth of Piauí’s capital, in Brazil, characterized mainly by the occupation of the banks of the river Poti and the existence of illegal connections of raw sewage in rainwater drainage pipes, has contributed significantly to water pollution in the basin of Parnaíba river (semiarid region of Brazil). This research aims at performing the mathematical modeling of water quality in an area of 36.8 km of the Poti river, based on the QUAL-UFMG platform. The research is presented as the first study involving modeling of water quality in said river. Modeled components were: dissolved oxygen (DO), biochemical oxygen demand (BOD) and thermotolerant coliforms (TC). The results obtained from field measurements indicated nonconformities of the parameter TC with respect to CONAMA Resolution nº 357/2005. The calibration of the decay coefficients for each parameter resulted in mean deviations between measured and modeled data of up to 20% and Nash-Sutcliffe efficiency coefficients higher than 0.75, which indicate that the QUAL-UFMG can be used as a basis for predicting the water quality in rivers of semiarid areas. The calibrated model was also compared to field data obtained from the literature. Finally, model simulations were performed for different flow scenarios (minimum and maximum), with consistent results that can be used for the management of the Piauí state water resources.

RESUMO O amortecimento de cheias é uma função importante de reservatórios fluviais. Para garantir a segurança das barragens brasileiras, foi aprovada em 2010 a Lei de Segurança de Barragens. Muitos reservatórios de múltiplos usos estão envelhecidos e, possivelmente, não atentem aos atuais padrões se segurança. No Estado do Ceará, Brasil, há muitas barragens construídas há muitas décadas, com vertedores dimensionados por fórmulas empíricas, atualmente ultrapassadas. Este artigo contribui para melhorar a compreensão dos fatores morfológicos e hidrológicos intervenientes no processo do amortecimento de cheias em reservatórios e no desenvolvimento de um método de simples aplicação que estime o amortecimento, a partir de tais fatores. Para tanto, foram realizadas simulações hidrológicas de vários cenários representativos de configurações de reservatórios e de bacias hidrográficas para analisar o impacto de cada parâmetro no amortecimento. Foi proposto um método gráfico, de fácil aplicação, no qual todos os parâmetros morfológicos da bacia e do reservatório foram agregados em um único adimensional – o Índice de Amortecimento do Reservatório (Φ). A partir de Φ, é possível estimar a capacidade de amortecimento do reservatório. Tal método pode ser utilizado para o dimensionamento de novos reservatórios ou para a verificação do vertedores de reservatórios já construídos com outras metodologias.

ABSTRACT Flood reduction constitutes an important characteristic of surface reservoir design. Thus, to ensure that minimum safety standards are met, the Safety Dams Act was approved in 2010. Many multipurpose surface reservoirs are aging and getting out of the current technical standards. In Ceará State, Brazil, there are several dams built for many decades, with spillways sized by empirical formulae which are currently outdated. This article contributes to improve the understanding of the morphological and hydrological factors involved in the process of damping floods in reservoirs and the development of a simple application method that estimates the damping, from such factors. To do so, hydrological simulations of several scenarios representative of reservoir and hydrographic basins configurations were performed. As a result, the impact of each parameter on flood damping was determined. A graphical method was proposed in which all the morphological parameters of the basin and the reservoir were aggregated into a single dimensionless parameter - the Reservoir Damping Index (Φ). With the value of Φ calculated, it is possible to estimate the damping capacity of the reservoir. This method can be used for the design of new reservoirs or for the verification of reservoir spillways already constructed with other methodologies.

RESUMO Nesta pesquisa, estudou-se o desempenho de três filtros biológicos anaeróbios com novos e diferentes meios de suporte em tempos de detenção hidráulica (TDH) distintos (5,5 e 11,1 horas), objetivando a remoção de algas de efluentes de lagoas de estabilização. O considerável desempenho no pós-tratamento (remoções de até 77,4%) pode ser atribuído à atuação dos mecanismos de sedimentação, retenção física e assimilação biológica. Foi desenvolvido um modelo de decaimento para clorofila com base na simplificação da equação de transporte de massa. O coeficiente global de decaimento foi descrito como uma função dos números de Reynolds e Weber, obtida por meio de ajuste aos dados experimentais com um coeficiente de determinação superior a 0,96. Para confirmação de que a função de Reynolds e Weber descreve bem o comportamento de k, foram realizadas simulações do impacto das seguintes variáveis na eficiência de remoção de algas: comprimento do filtro (altura do leito), diâmetro do filtro, diâmetro do meio suporte, porosidade, vazão, tensão superficial e da viscosidade do líquido. As simulações desenvolvidas demonstraram coerência nos resultados, reforçando que os números de Reynolds e Weber, assim como o modelo de fluxo em pistão, podem ser usados para descrever o processo de remoção de algas em filtros anaeróbios.

ABSTRACT In this research we studied the performance of three anaerobic biological filters with new and different support media in different hydraulic retention time (HRT): 5.5 and 11.1 hours, aiming at the removal of wastewater stabilization ponds of algae. The considerable performance in the post-treatment (removal of up to 77.4%) can be attributed to the actions of sedimentation mechanisms, physical restraint and biological assimilation. It has developed a model for chlorophyll decay from the simplification of mass transport equation. The overall decay coefficient was described as a function of Reynolds and Weber numbers, which was obtained through adjusting the experimental data with a determination coefficient greater than 0.96. To confirm that the Reynolds and Weber function describes well the k behavior, simulations were made of the impact of these variables on algae removal efficiency: filter length (bed height), filter diameter, the diameter of the support means, porosity, flow, surface tension and viscosity of the liquid. Simulations show consistency in the results, reinforcing that the Reynolds and Weber numbers and the flow model of piston may be used to describe the process of removing algae in anaerobic filters.

Neste estudo foram realizados experimentos para investigar o tamanho de bolhas de ar formadas a partir de difusores não porosos em um tanque de água. O tamanho das bolhas individuais e o diâmetro de Sauter foram avaliados usando uma técnica de processamento de imagens. Os resultados confirmam que a vazão de ar e o diâmetro do orifício são parâmetros importantes que controlam a distribuição do tamanho das bolhas e o diâmetro de Sauter. Análise dimensional é realizada para fornecer uma relação adimensional geral para predição do diâmetro de Sauter (usando uma escala de comprimento adequada, baseada na vazão de ar) e o número de Reynolds na saída do orifício. Essa relação apresenta bom ajuste aos dados experimentais obtidos neste estudo e a partir de investigações anteriores disponíveis na literatura, incluindo também experimentos com múltiplos orifícios. Finalmente, são apresentadas aplicações potenciais da relação adimensional obtida.

Experiments are conducted in this study to investigate the size of air bubbles formed from orifice diffusers in a water tank. The size of individual bubbles and the Sauter diameter are evaluated using an image processing technique. The results confirm that the air flow rate and the nozzle diameter are important parameters controlling the bubble size distribution and Sauter diameter. Dimensional analysis is performed to provide a general dimensionless relationship for the bubble Sauter diameter by using an appropriate length scale, which is based on the air flow rate, and the Reynolds number at the nozzle exit. This relationship fits well the experimental data from this study and previous investigations available in the literature, also including experiments for multiple orifice diffusers. Finally, potential applications of the dimensionless relationship obtained here are presented.