RESUMO As mudanças climáticas podem causar alterações drásticas nos ecossistemas lacustres especialmente em razão da elevação da temperatura e das alterações na precipitação, provocando, entre outros fatores, aumento no aporte de nutrientes e, consequentemente, eutrofização. Este trabalho apresenta a estimativa de projeções de vazão e carga de nutrientes (NO3−, PO4–3) afluentes à lagoa Mangueira — grande lagoa rasa subtropical localizada no extremo sul do Brasil. As projeções foram baseadas nos produtos do Quinto Relatório de Avaliação das Mudanças Climáticas (AR5), no Representative Concentration Pathway — RCP 2.6, RCP 4.5 e RCP 8.5. Em cada cenário, foram utilizados produtos de até 39 modelos climáticos globais para a estimativa das projeções das variáveis em dois períodos futuros de 30 anos, centrados em 2030 (próximo) e 2070 (longo). Os resultados mostram como situação mais provável o aumento das vazões, com maior concordância entre os produtos do AR5, quando comparados aos do Quarto Relatório de Avaliação das Mudanças Climáticas (AR4) estimados em trabalho anterior. Nas projeções de cargas de nutrientes também prevalece o padrão de aumento. Os nutrientes analisados apresentam elevação de carga média anual de 9,34% no futuro próximo e no RCP 2.6, enquanto no futuro longo e no RCP 8.5 esse valor se eleva para 22,48%. Medidas mitigadoras deverão ser previstas com o objetivo de reduzir a carga de nutrientes afluentes e manter o bom estado ecológico da lagoa.

ABSTRACT Climate change can cause drastic changes in lake ecosystems, especially due to the increase in temperature and changes in precipitation, promoting, among other factors, an increase in the nutrients input and, therefore, eutrophication. This paper estimated the projected flow and nutrients load (NO3−, PO4–3) at the Mangueira lake — a large subtropical shallow lake, located in southern Brazil. The projections were based on the AR5 products for RCP 2.6, RCP 4.5, and RCP 8.5 scenarios. In each scenario, data from as many as 39 global climate models were used to estimate the projected values of flow and nutrients in two 30-year time intervals centered at 2,030 (near future) and 2,070 (long future). Results show the increase in flow is more likely, with a greater agreement between AR5 products when compared to AR4 products estimated in previous work. The pattern of increase also prevails in the projections of nutrient loads. The nutrients analyzed show an average annual load increase of 9.34% in the near future and RCP 2.6 scenario, while in the long future and RCP 8.5 scenario, this value rises to 22.48%. Mitigation measures should be studied to reduce the nutrient inputs and to preserve a good ecological status of the lake.

RESUMO A abordagem tradicional para a caracterização hidrodinâmica do escoamento sobre vertedouros em degraus é feita através da modelagem física, a qual é suscetível aos efeitos de escala e possui limitações relacionadas ao aparato experimental, espaço físico de laboratório e discretização espacial da obtenção de dados. A fluidodinâmica computacional é uma importante ferramenta de análise dos escoamentos, pois, se utilizada corretamente, apresenta grande potencial de aplicação na engenharia hidráulica. Neste trabalho, foi utilizada fluidodinâmica computacional para modelar o escoamento deslizante sobre turbilhões em um vertedouro em degraus. Buscou-se investigar os efeitos de possíveis erros de medição de pressão devido às incertezas na posição dos medidores dentro dos degraus. O modelo numérico foi validado através de dados de pressão obtidos experimentalmente e dados de velocidade encontrados na literatura. Os resultados mostram que os melhores valores de fração de água (α) que definem a superfície livre são α = 0,30 para a região não aerada e α = 0,10 para a região aerada. Utilizando-se dados experimentais, foram calculados parâmetros estatísticos para estimar pressões extremas. O uso destes parâmetros, em conjunto com os resultados das simulações, permite definir que as pressões extremas positivas ocorrem na região 0,81 < x/l < 0,98 nos patamares e as mínimas na região 0,93 < y/h < 0,98 nos espelhos.

ABSTRACT The traditional approach for the hydrodynamic characterization of the flow down stepped spillways is through physical modeling, which is susceptible to scale effects and has limitations related to experimental apparatus, laboratory space and the spatial discretization of data collection. Computational fluid dynamics (CFD) is an important tool for hydrodynamic analysis because, if used properly, it presents great potential for application in hydraulics. In this work, CFD was used to model the skimming flow down a stepped spillway to investigate the effects of possible pressure measurement errors due to uncertainties in the position of the sensors within the steps. The numerical model was validated through literature velocity profiles and pressure experimental data. The results showed that the best values of water fraction (α) to define free surface are α = 0.30 in the nonaerated region and α = 0.10 in the aerated region. Statistical parameters were calculated using experimental data to estimate extreme pressures. These parameters and the simulation results were used to determine that the extreme maximum and minimum pressures occur, respectively, in the region of 0.81 < x/l < 0.98, in the horizontal faces, and in the region of 0.93 < y/h < 0.98, in the vertical faces.

RESUMO O vertedouro tipo salto esqui está presente em grandes barragens brasileiras. Após a operação desse tipo de vertedouro se origina uma fossa de erosão a jusante, que complementa o sistema de dissipação de energia, pois o jato é amortecido pelo colchão d’água. À medida que a escavação da fossa de erosão evolui, sua forma se altera, havendo a indução de diferentes comportamentos do fluxo do jato no interior do colchão d’água. A importância deste estudo científico se dá em virtude das fossas a jusante de vertedouros salto esqui estarem em constante transformação, o que pode ocasionar mudanças nos padrões de pressões dinâmicas causadas no fundo. Erosões imprevistas podem provocar a instabilidade dos taludes da fossa, comprometendo a fundação da barragem. Neste trabalho, foram realizados experimentos físicos, por modelagem seccional (2D), em dois modelos reduzidos de escalas 1:50 e 1:100, considerando dois estágios de profundidade de erosão em fundo sólido (fixo). Com isso, analisou-se o local de impacto do fluxo do jato sobre o leito, local este que possui a maior pressão dinâmica média. Como resultado foi possível identificar o efeito de escala no coeficiente de pressão entre os dois modelos ensaiados, o que possibilitou o ajuste de linhas de tendências que auxiliam a estimativa das pressões que ocorrem em protótipos, aumentando a segurança na operação de vertedouros salto esqui.

ABSTRACT The ski jump type spillway is present in large Brazilian dams. After the operation of this type of spillway, a scour hole is originated downstream of the spillway toe, complementing the energy dissipation system, because the jet is cushioned by the waterbed. As the excavation of the scour hole evolves, its shape changes, with the induction of different behaviors of the jet flow within the waterbed. The importance of this scientific study is due to the fact that scour holes downstream of ski jump spillways are in constant transformation, which can cause changes in the patterns of dynamic pressures caused on the bottom. Unexpected erosions can cause instability in the submerged slopes of the pit, jeopardizing the foundation of the dam. In this work it was proceeded physical experiments, by sectional modeling (2D), in two reduced models of 1:50 and 1:100 scales, considering two stages of erosion depths in solid bottom (fixed). It was analyzed the impact site of the jet flow on the bottom, which has the major mean dynamic pressure. As result, it was possible to identify the scale effect in the pressure coefficient between the two models tested, which allowed the adjustment of trend lines that aid to estimate the pressures that occur in prototypes, increasing safety in operation of ski jump spillways.

RESUMO As escadas para peixes com ranhuras verticais permitem que ocorra a dissipação da energia do escoamento em função da forma da bacia, dos defletores, da declividade longitudinal e da largura da ranhura vertical. Estas estruturas devem apresentar padrões médios e turbulentos do escoamento compatíveis com os peixes que irão transpô-la. Tipicamente a concepção das escadas para peixes é baseada na utilização de geometrias empregadas com sucesso em situações anteriores e a estimativa das características do escoamento através de equações teóricas simplificadas e relações empíricas. Para contribuir na concepção dessas estruturas, foi utilizado um modelo hidrodinâmico tridimensional para simular o escoamento e estudos experimentais para validar o modelo. Velocidades médias, pressões e parâmetros indicativos da turbulência foram analisados. As velocidades máximas do escoamento foram até 32% superiores aos valores obtidos utilizando uma equação teórica simplificada. A avaliação da potência dissipada por unidade de volume indica que o valor médio para o tanque é inferior a 150 W/m3, no entanto, a análise da distribuição espacial desta grandeza no tanque, mostra que valores pontuais podem ultrapassar 1000 W/m3. Os resultados indicam que a simulação numérica foi capaz de representar de forma adequada o escoamento, considerando o custo computacional envolvido e pode ser utilizada como uma ferramenta complementar para o projeto de novas escadas para peixes e para a análise de modificações em estruturas existentes.

ABSTRACT Vertical slot fishways allow energy dissipation as a function of the pool, longitudinal slope, baffle and vertical slot design. The mean and turbulent flow patterns in these structures must be compatible with the fish target. The design of these structures is commonly based on previous successful fishways as well as simplified theoretical equations and empirical relationships. To aid in the design of these structures, a three-dimensional hydrodynamic model was used to simulate the flow, and experimental studies were used to validate the model. The mean velocities, pressures and parameters indicative of turbulence were analyzed. The maximum flow velocities were up to 32% higher than the values obtained using a simplified theoretical equation. The evaluation of the volumetric dissipated power indicated that the mean value for the pool was lower than 150 W/m3; however, analysis of the spatial distribution showed that in some areas, the values can exceed 1000 W/m3. The results indicate that the numerical simulation was able to adequately represent the flow considering the computational cost involved. Accordingly, it can be used as a complementary tool for the design of new fishways and for the analysis of modifications in existing ones.

RESUMO As bombas centrífugas são amplamente utilizadas em sistemas de abastecimento de água e o seu funcionamento é responsável por mais de 90% do consumo de energia elétrica das estações de bombeamento de água. Estudos que busquem generalizar a caracterização das curvas de desempenho de bombas centrífugas são extremamente úteis. Realizou-se um estudo sobre as características adimensionais das condições de operação de bombas centrífugas para estimativas prévias de projetos de sistemas de abastecimento de água visando à eficiência energética. O trabalho consistiu na análise de curvas de desempenho de bombas centrífugas das quais foram extraídas informações sobre o ponto de máximo rendimento (PMR). As curvas e as equações obtidas foram adimensionalizados de modo que as informações pudessem ser extrapoladas para outras situações. Foi realizado um estudo de caso no Sistema de Abastecimento de Água do Campus do Vale da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) para demonstrar a aplicação das equações e curvas desenvolvidas. As equações adimensionais foram úteis para determinar qual vazão nominal deveria ser adotada para que o sistema fosse mais eficiente hidroenergeticamente e, também, para determinar quanto de energia seria consumida a mais caso o ponto de funcionamento da bomba fosse alterado por válvula de estrangulamento.

ABSTRACT Centrifugal pumps are widely used in water supply systems and account for more than 90% of the electricity consumption of water pumping stations. Studies that seek to generalize the characterization of performance curves of centrifugal pumps are extremely useful. A study was carried out on the dimensionless characteristics of the operating conditions of centrifugal pumps for preliminary design estimations of water supply systems aiming at energy efficiency. The research consisted of the analysis of performance curves of centrifugal pumps from which data was collected regarding the point of maximum yield (PMY). The curves and the equations obtained were made dimensionless so that the information could be extrapolated to other situations. A case study was conducted in the Water Supply System of Vale Campus of the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS) to demonstrate the application of those equations and curves developed. The dimensionless equations were useful to determine which discharge should be adopted so that the system would be more efficient hydro and energetically and, also, to determine how much more energy would be consumed in the case of alteration of the point of operation of the pump by a throttling valve.

Resumo Neste trabalho é apresentada a avaliação dos impactos das mudanças climáticas sobre a vazão de contribuição à lagoa Magueira, localizada no sul do Brasil, com base em projeções de precipitação de vinte Modelos Climáticos Globais (MCGs) que alimentam o modelo hidrológico IPH II. As projeções foram baseadas em dois cenários de mudanças climáticas definidos pelo IPCC que estabelecem as forçantes para que os MCGs estimem o clima futuro: A2, caracterizado pelas altas emissões e B2, caracterizado pelas baixas emissões. O MAGICC/ScenGen foi utilizado para obter as projeções de anomalias mensais de precipitação nos cenários A2/B2 em períodos futuros centrados em 2030 e 2070. As séries temporais de precipitação projetadas foram estimadas usando o método delta change. Os resultados em termos de vazão média anual mostraram que o valor médio das anomalias no horizonte próximo é parecido em ambos cenários, sendo igual a +2,86%(A2) e +2,48%(B2). Este valor aumentou no horizonte longo, com valor médio das anomalias de +16,94%(A2) e +11,83%(B2). A dispersão entre os resultados dos MCGs mostrou anomalias que podem atingir [+10%,−7%] no horizonte próximo e [+30%,−20%] no horizonte longo. Assim, embora existisse uma maior concordância nos MCGs ao aumento das vazões, é importante ressaltar a dispersão dos resultados.

Abstract This manuscript presents the assessment of climate change impacts on the streamflow at the Mangueira lake watershed, located in Southern Brazil, based on precipitation predictions of twenty Atmospheric/Ocean General Circulation Models (AOGCMs) that feed a hydrologic model named IPH II. The projections were based on two emission scenarios of the IPCC that set the forcing conditions for the AOGCMs to estimate future climate: A2, characterized by higher emissions and B2, characterized by lower emissions. The MAGICC/ScenGen was used to obtain the projected monthly anomalies of precipitation for the scenarios A2/B2 at two future time intervals centered at 2030 and 2070. Time series of projected precipitation were estimated using the delta change approach. The results in terms of average annual flow shows that mean value of the anomalies on the near horizon resulted very similar, equal to +2.86%(A2) and +2.48%(B2). This statistic increased on the long horizon, with a mean value of the anomalies of +16.94%(A2) and +11.83%(B2). The dispersion among results of the AOGCMs showed anomalies that may reach [+10%,−7%] in the near future and [+30%,−20%], in the long horizon. Thus, although there was higher agreement between AOGCMs in increasing flows, it is important to highlight the dispersion of results.