Hydraulics of stepped chutes: experimental-numerical-theoretical study

O estudo de escoamentos turbulentos em descarregadores em degraus tem sido um desafio para os investigadores. A macro-rugosidade do leito, a ondulação da superfície livre, a intermitência da localização da secção inicial de entrada de ar e o escoamento bi-fásico a jusante da secção inicial de entrada de ar fazem com que a caracterização do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus não seja simples. Actualmente, é possível combinar técnicas de medição fiáveis com simulações numéricas e análise teórica. Nesta dissertação, o estudo experimental baseia-se em resultados experimentais obtidos em duas instalações experimentais: a instalação A, do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:0.75H e a instalação B, do Instituto Superior Técnico (IST), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:2H. Uma sonda de ar, um tubo de Pitot modificado e vários hidrómetros permitiram o estudo do escoamento deslizante sobre turbilhões mono- e bifásico ao longo do descarregador em degraus da instalação A. Na bacia de dissipação de energia, a observação visual do escoamento foi auxiliada pelas leituras efectuadas em tomadas de pressão localizadas na soleira da bacia e pelas leituras da altura do escoamento efectuadas em réguas graduadas localizadas nas paredes da bacia. Na instalação B foram utilizados um tubo de Pitot e vários hidrómetros para estudar a região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões no descarregador em degraus. O estudo numérico é baseado em simulações numéricas da região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões sobre descarregadores em degraus com o código comercial de CFD FLOW-3D® de modo a reproduzir as condições ensaiadas experimentalmente. As simulações beneficiaram da técnica de blocos múltiplos (multi-block) num sistema de coordenadas cartesianas, da determinação da superfície livre pelo método TruVOF e da utilização de dois modelos de turbulência: os modelos k- e RNG k-. Por último, o estudo teórico consistiu em desenvolver um modelo simplificado 1D para determinar as características hidráulicas principais do trecho não arejado do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus. O modelo foi desenvolvido a partir das equações de Navier-Stokes, conjuntamente com resultados experimentais e numéricos. Os resultados apresentados nesta dissertação contribuem para o conhecimento do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus, nomeadamente na região não arejada, na secção inicial de entrada de ar e na região arejada. A hidráulica dos dissipadores de energia a jusante de descarregadores em degraus, em particular das bacias tipo III do USBR, é também objecto de estudo. Em relação à região não arejada do escoamento em descarregadores com declive acentuado, e com base em resultados experimentais e numéricos, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, da espessura da camada limite, da concentração média de ar, do coeficiente de energia cinética, da dissipação de energia, do factor de resistência e do coeficiente n da fórmula de Manning. São ainda propostas expressões adimensionais para a energia cinética turbulenta e sua dissipação. Para declives moderados, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, do coeficiente de energia cinética e da energia específica residual. São ainda apresentados valores do expoente 1/N da expressão adimensional da distribuição de velocidades, quer para descarregadores com declive acentuado quer com declive moderado. Em conformidade com outros estudos centrados em escoamentos de parede e com derivações teóricas, para a região não arejada do escoamento em descarregadores em degraus de acentuado declive, observa-se que o factor de resistência depende da macro-rugosidade criada pelos degraus e da geometria da secção transversal e que o coeficiente n da fórmula de Manning aumenta com a rugosidade. A descrição estatística da turbulência do escoamento é igualmente explorada, contribuindo para o conhecimento da estrutura do escoamento. Observou-se que para números de Reynolds rugoso não superiores a 6.8x104 a energia cinética turbulência e a sua dissipação cumprem leis de semelhança. Estas expressões adimensionais estão de acordo com os resultados obtidos por outros autores para escoamentos completamente desenvolvidos em canais abertos e no escoamento em rios com leito de gravilha. Em acréscimo, a taxa de dissipação de energia, quer para descarregadores de declive acentuado quer de moderado declive, é baixa. Por último, observa-se que os valores da média temporal da concentração de ar entre 0 e 1 medidos na região não arejada do escoamento dizem respeito não só ao ar capturado entre ondas de água, na zona de ondulação da superfície livre, mas também ao ar emulsionado no escoamento, i.e., sob a forma de bolhas de ar, quando perto da secção média inicial de entrada de ar, devido à diferença entre localizações instantânea e média temporal. Foram revistas metodologias e fórmulas para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar e apresentadas expressões para estimar a concentração média de ar e a altura equivalente de água nessa secção. Relativamente à região de escoamento arejado em descarregadores em degraus com declive acentuado, os resultados experimentais apresentados nesta dissertação permitiram estimar a influência da definição da superfície livre nos parâmetros hidráulicos da região do escoamento arejado e estimar a máxima elevação do escoamento nesta região do escoamento. Com base nos resultados experimentais obtidos na bacia de dissipação de energia do tipo III do USBR localizada a jusante do descarregador em degraus da instalação A, observou-se que os perfis da altura piezométrica e da altura do escoamento tendem a seguir o perfil recomendado pelo USBR para bacias tipo III. A excepção ocorre à entrada da bacia, onde as alturas piezométricas apresentadas nesta dissertação excedem largamente as apresentadas pelo USBR. É ainda observado que, tal como entre as bacias tipo I e tipo III do USBR, o ressalto hidráulico estabiliza muito mais rapidamente numa bacia tipo III a jusante de um descarregador em degraus do que uma bacia tipo I a jusante do mesmo descarregador em degraus. Finalmente, observa-se que os blocos de amortecimento a colocar no descarregador não têm influência visível nos resultados da altura piezométrica nem da altura do escoamento ao longo da bacia. Relativamente às simulações numéricas do escoamento não arejado, a proximidade entre resultados experimentais e numéricos permite validar o modelo teórico e a integração numérica usados no FLOW-3D®. As simulações desenvolvidas também mostraram que o modelo de turbulência k- permite representar as características do escoamento não arejado em descarregadores em degraus, uma vez que não foram observadas diferenças significativas entre as simulações com este modelo e com o modelo RNG k-. Finalmente, observou-se que o modelo de entrada de ar usado no FLOW-3D® é válido para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar. Por último, a proximidade entre os resultados obtidos da aplicação do modelo teórico desenvolvido no âmbito desta dissertação e os resultados experimentais indica que as hipóteses e simplificações consideradas no desenvolvimento do modelo são adequadas.

Hydrological modelling of Maranhão and Pracana Basins, a first approach

Modelling the hydrology of hydrographic basins has shown itself as a useful tool in environment management. The hydrological models can be used for multiple purposes: estimate runoff from sequences of rainfall, access stream water quality, quantify the diffuse pollution that reaches water masses such as estuaries, rivers and lakes, etc. This study has as final objective to simulate and analyse the flow, sediment transport and water quality as a function of landuse and soil type in the basins of Maranhão and Pracana. The modelling system used is SWAT, Soil Water Assessment Tool. In this first phase of the study the hydrodynamic calibration of the model was performed using measurements of average daily flows in five stations. The model compares well with the measurements; the annual average flows are similar and the majority of the measured flow peaks coincide with the model peaks.

Application of LOICZ DPSIR framework to South asia Basins and developing typology for coastal vulnerability in South Asia

Dissertação de Mestrado, Gestão da Água e da Costa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2007

The function and future of the LOICS basins approach in promoting integrated coastal zone & watershed management with an emphasis on developing countries

Dissertação de Mestrado, Gestão da Água e da Costa, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2010

Modeling of Suspended Sediment Dynamics in Tropical River Basins

It is proposed to study the suspended sediment transport characteristics of river basins of Kerala and to model suspended sediment discharge mechanism for typical micro-watersheds. The Pamba river basin is selected as a representative hydrologic regime for detailed studies of suspended sediment characteristics and its seasonal variation. The applicability of various erosion models would be tested by comparing with the observed event data (by continuous monitoring of rainfall, discharge, and suspended sediment concentration for lower order streams). Empirical, conceptual and physically distributed models were used for making the comparison of performance of the models. Large variations in the discharge and sediment quantities were noticed during a particular year between the river basins investigated and for an individual river basin during the years for which the data was available. In general, the sediment yield pattern follows the seasonal distribution of rainfall, discharge and physiography of the land. This confirms with similar studies made for other Indian rivers. It was observed from this study, that the quantity of sediment transported downstream shows a decreasing trend over the years corresponding to increase in discharge. For sound and sustainable management of coastal zones, it is important to understand the balance between erosion and retention and to quantify the exact amount of the sediments reaching this eco-system. This, of course, necessitates a good length of time series data and more focused research on the behaviour of each river system, both present and past. In this realm of river inputs to ocean system, each of the 41 rivers of Kerala may have dominant yet diversified roles to influence the coastal ecosystem as reflected from this study on the major fraction of transport, namely the suspended sediments

Reintroduction of the Eurasian otter (Lutra lutra) in Muga and Fluvià basins (north-eastern Spain): viability, development, monitoring and trends of the new population

Aquesta tesi es basa en el programa de reintroducció de la llúdriga eurasiàtica (Lutra lutra) a les conques dels rius Muga i Fluvià (Catalunya) durant la segona meitat dels 1990s. Els objectius de la tesi foren demostrar la viabilitat de la reintroducció, demostrar l'èxit de la mateixa, estudiar aspectes ecològics i etològics de l'espècie, aprofitant l'oportunitat única de gaudir d'una població "de disseny" i determinar les probabilitats de supervivència de la població a llarg termini. La reintroducció de la llúdriga a les conques dels rius Muga i Fluvià va reeixir, doncs l'àrea geogràfica ocupada efectivament es va incrementar fins a un 64% d'estacions positives a l'hivern 2001-02. La troballa de tres exemplars adults nascuts a l'àrea de reintroducció és una altra prova que valida l'èxit del programa. La densitat d'exemplars calculada a través dels censos visuals ha resultat baixa (0.04-0.11 llúdrigues/km), però s'aproxima al que hom pot esperar en els primers estadis d'una població reintroduïda, encara poc nombrosa però distribuïda en una gran àrea. La mortalitat post-alliberament va ser del 22% un any després de l'alliberament, similar o inferior a la d'altres programes de reintroducció de llúdrigues reeixits. La mortalitat va ser deguda principalment a atropellaments (56%). El patró d'activitat de les llúdrigues reintroduïdes va esdevenir principalment nocturn i crepuscular, amb una escassa activitat diürna. Les seves àrees vitals van ser del mateix ordre (34,2 km) que les calculades en d'altres estudis realitzats a Europa. La longitud mitjana de riu recorreguda per una llúdriga durant 24 hores va ser de 4,2 km per les femelles i 7,6 km pels mascles. Durant el període de radioseguiment dues femelles van criar i els seus moviments van poder ser estudiats amb deteniment. La resposta de la nova població de llúdrigues a les fluctuacions estacionals en la disponibilitat d'aigua, habitual a les regions mediterrànies, va consistir en la concentració en una àrea menor durant el període de sequera estival, a causa de l'increment de trams secs, inhabitables per la llúdriga per la manca d'aliment, fet que va provocar expansions i contraccions periòdiques en l'àrea de distribució. La persistència a llarg termini de la població reintroduïda va ser estudiada mitjançant una Anàlisi de Viabilitat Poblacional (PVA). El resultat va ser un baix risc d'extinció de la població en els propers 100 anys i la majoria dels escenaris simulats (65%) van assolir el criteri d'un mínim de 90% de probabilitat de supervivència. Del model poblacional construït es dedueix que un punt clau per assegurar la viabilitat de la població reintroduïda és la reducció de la mortalitat accidental. A l'àrea d'estudi, els atropellaments causen més del 50% de la mortalitat i aquesta pot ser reduïda mitjançant la construcció de passos de fauna, el tancament lateral d'alguns trams de carretera perillosos i el control de la velocitat en algunes vies. El projecte de reintroducció ha posat a punt un protocol per a la captura, maneig i alliberament de llúdrigues salvatges, que pot contenir informació útil per a programes similars. També ha suposat una oportunitat única d'estudiar una població dissenyada artificialment i poder comparar diversos mètodes per estimar la distribució i la densitat de poblacions de llúdrigues. Per últim, la reintroducció portada a terme a les conques dels rius Muga i Fluvià ha aconseguit crear una nova població de llúdrigues, que persisteix en el temps, que es reprodueix regularment i que es dispersa progressivament, fins i tot a noves conques fluvials.

Management of industrial wastewater discharges in river basins through agents'argumentation

La gestió de l'aigua residual és una tasca complexa. Hi ha moltes substàncies contaminants conegudes però encara moltes per conèixer, i el seu efecte individual o col·lgectiu és difícil de predir. La identificació i avaluació dels impactes ambientals resultants de la interacció entre els sistemes naturals i socials és un assumpte multicriteri. Els gestors ambientals necessiten eines de suport pels seus diagnòstics per tal de solucionar problemes ambientals. Les contribucions d'aquest treball de recerca són dobles: primer, proposar l'ús d'un enfoc basat en la modelització amb agents per tal de conceptualitzar i integrar tots els elements que estan directament o indirectament involucrats en la gestió de l'aigua residual. Segon, proposar un marc basat en l'argumentació amb l'objectiu de permetre als agents raonar efectivament. La tesi conté alguns exemples reals per tal de mostrar com un marc basat amb agents que argumenten pot suportar diferents interessos i diferents perspectives. Conseqüentment, pot ajudar a construir un diàleg més informat i efectiu i per tant descriure millor les interaccions entre els agents. En aquest document es descriu primer el context estudiat, escalant el problema global de la gestió de la conca fluvial a la gestiódel sistema urbà d'aigües residuals, concretament l'escenari dels abocaments industrials. A continuació, s'analitza el sistema mitjançant la descripció d'agents que interaccionen. Finalment, es descriuen alguns prototips capaços de raonar i deliberar, basats en la lògica no monòtona i en un llenguatge declaratiu (answer set programming). És important remarcar que aquesta tesi enllaça dues disciplines: l'enginyeria ambiental (concretament l'àrea de la gestió de les aigües residuals) i les ciències de la computació (concretament l'àrea de la intel·ligència artificial), contribuint així a la multidisciplinarietat requerida per fer front al problema estudiat. L'enginyeria ambiental ens proporciona el coneixement del domini mentre que les ciències de la computació ens permeten estructurar i especificar aquest coneixement.

Upland Nesting Prairie Shorebirds: Use of Managed Wetland Basins and Accuracy of Breeding Surveys

Wetlands in southern Alberta are often managed to benefit waterfowl and cattle production. Effects on other species usually are not examined. I determined the effect of managed wetlands on upland-nesting shorebirds in southern Alberta by comparing numbers of breeding willets (Catoptrophorus semipalmatus), marbled godwits (Limosa fedoa), and long-billed curlews (Numenius americanus) among areas of managed wetlands, natural wetland basins, and no wetland basins from 1995 to 2000. Surveys were carried out at 21 sites three times each year. Nine to ten of these areas (each 2 km2) were searched for nests annually from 1998–2000. Numbers of willets and marbled godwits and their nests were always highest in areas with managed wetlands, probably because almost all natural wetland basins were dry in this region in most years. Densities of willets seen during pre-incubation surveys averaged 2.3 birds/km2 in areas of managed wetlands, 0.4 in areas of natural wetland basins, and 0.1 in areas with no wetland basins. Nest densities of willets (one search each season) averaged 1.5, 0.9, and 0.3 nests/km2 in areas of managed, natural, and no wetland basins, respectively. Similarly, pre-incubation surveys averaged 1.6, 0.6, and 0.2 godwits/km2 in areas of managed, natural, and no wetland basins, and 1.2, 0.3, and 0.1 godwit nests/km2. For long-billed curlews, pre-incubation surveys averaged 0.1, 0.2, and 0.1 birds/km2, and 0, 0.2, and 0 nests/km2. Nest success was similar in areas with and without managed wetlands. Shallow managed wetlands in this region appear beneficial to willets and marbled godwits, but not necessarily to long-billed curlews. Only 8% of marked willets and godwits with nests in the area were seen or heard during surveys, compared with 29% of pre-laying individuals and 42% of birds with broods. This suggests that a low and variable percentage of these birds is counted during breeding bird surveys, likely limiting their ability to adequately monitor populations of these species.

Simulating metals and mine discharges in river basins using a new integrated catchment model for metals: pollution impacts and restoration strategies in the Aries-Mures river system in Transylvania, Romania

The INtegrated CAtchment (INCA) model has been developed to simulate the impact of mine discharges on river systems. The model accounts for the key kinetic chemical processes operating as well as the dilution, mixing and redistribution of pollutants in rivers downstream of mine discharges or acid rock drainage sites. The model is dynamic and simulates the day-to-day behaviour of hydrology and eight metals (cadmium, mercury, copper, zinc, lead, arsenic, manganese and chromium) as well as cyanide and ammonia. The model is semi-distributed and can simulate catchments, sub-catchment and in-stream river behaviour. The model has been applied to the Roia Montan Mine in Transylvania, Romania, and used to assess the impacts of old mine adits on the local catchments as well as on the downstream Aries and Mures river system. The question of mine restoration is investigated and a set of clean-up scenarios investigated. It is shown that the planned restoration will generate a much improved water quality from the mine and also alleviate the metal pollution of the river system.

Evaluation of ECMWF medium-range ensemble forecasts of precipitation for river basins

Providing probabilistic forecasts using Ensemble Prediction Systems has become increasingly popular in both the meteorological and hydrological communities. Compared to conventional deterministic forecasts, probabilistic forecasts may provide more reliable forecasts of a few hours to a number of days ahead, and hence are regarded as better tools for taking uncertainties into consideration and hedging against weather risks. It is essential to evaluate performance of raw ensemble forecasts and their potential values in forecasting extreme hydro-meteorological events. This study evaluates ECMWF’s medium-range ensemble forecasts of precipitation over the period 2008/01/01-2012/09/30 on a selected mid-latitude large scale river basin, the Huai river basin (ca. 270,000 km2) in central-east China. The evaluation unit is sub-basin in order to consider forecast performance in a hydrologically relevant way. The study finds that forecast performance varies with sub-basin properties, between flooding and non-flooding seasons, and with the forecast properties of aggregated time steps and lead times. Although the study does not evaluate any hydrological applications of the ensemble precipitation forecasts, its results have direct implications in hydrological forecasts should these ensemble precipitation forecasts be employed in hydrology.

A comparative performance analysis of TRMM 3B42 (TMPA) versions 6 and 7 for hydrological applications over Andean-Amazon river basins

The Tropical Rainfall Measuring Mission 3B42 precipitation estimates are widely used in tropical regions for hydrometeorological research. Recently, version 7 of the product was released. Major revisions to the algorithm involve the radar refl ectivity - rainfall rates relationship, surface clutter detection over high terrain, a new reference database for the passive microwave algorithm, and a higher quality gauge analysis product for monthly bias correction. To assess the impacts of the improved algorithm, we compare the version 7 and the older version 6 product with data from 263 rain gauges in and around the northern Peruvian Andes. The region covers humid tropical rainforest, tropical mountains, and arid to humid coastal plains. We and that the version 7 product has a significantly lower bias and an improved representation of the rainfall distribution. We further evaluated the performance of versions 6 and 7 products as forcing data for hydrological modelling, by comparing the simulated and observed daily streamfl ow in 9 nested Amazon river basins. We find that the improvement in the precipitation estimation algorithm translates to an increase in the model Nash-Sutcliffe effciency, and a reduction in the percent bias between the observed and simulated flows by 30 to 95%.

Flood Risk Assessment in Coastal Drainage Basins through a Multivariate Analysis within a GIS-Based Model

This paper presents a GIS-based multicriteria flood risk assessment and mapping approach applied to coastal drainage basins where hydrological data are not available. It involves risk to different types of possible processes: coastal inundation (storm surge), river, estuarine and flash flood, either at urban or natural areas, and fords. Based on the causes of these processes, several environmental indicators were taken to build-up the risk assessment. Geoindicators include geological-geomorphologic proprieties of Quaternary sedimentary units, water table, drainage basin morphometry, coastal dynamics, beach morphodynamics and microclimatic characteristics. Bioindicators involve coastal plain and low slope native vegetation categories and two alteration states. Anthropogenic indicators encompass land use categories properties such as: type, occupation density, urban structure type and occupation consolidation degree. The selected indicators were stored within an expert Geoenvironmental Information System developed for the State of Sao Paulo Coastal Zone (SIIGAL), which attributes were mathematically classified through deterministic approaches, in order to estimate natural susceptibilities (Sn), human-induced susceptibilities (Sa), return period of rain events (Ri), potential damages (Dp) and the risk classification (R), according to the equation R=(Sn.Sa.Ri).Dp. Thematic maps were automatically processed within the SIIGAL, in which automata cells (""geoenvironmental management units"") aggregating geological-geomorphologic and land use/native vegetation categories were the units of classification. The method has been applied to the Northern Littoral of the State of Sao Paulo (Brazil) in 32 small drainage basins, demonstrating to be very useful for coastal zone public politics, civil defense programs and flood management.

A new species of Moenkhausia from the rio Amazonas and rio Orinoco basins (Characiformes: Characidae)

A new species of Moenkhausia is described from the rio Amazonas and rio Orinoco basins. The new species can be distinguished from congeners mainly by the combination of a conspicuous, relatively small and circular humeral spot, a black spot on the upper caudal-fin lobe, lower caudal-fin lobe without spot or a faint one, and middle caudal-fin rays hyaline or with dark tips. Mature males have a unique combination of two large-sized bony hooks on the anal-fin rays and tiny spines on the distal portion of all fins, which distinguishes the new species from any other species of Characidae.

Some aspects of photosynthetic characteristics in a set of perennial irrigation reservoirs located in five river basins in Sri Lanka

Phytoplankton primary productivity of eleven irrigation reservoirs located in five river basins in Sri Lanka was determined on a single occasion together with light climate and nutrient concentrations. Although area-based gross primary productivity (1.43–11.65 g O2 m−2 d−1) falls within the range already established for tropical water bodies, net daily rate was negative in three water bodies. Light-saturated optimum rates were found in water bodies, with relatively high algal biomass, but photosynthetic efficiency or specific rates were higher in water bodies with low algal biomass, indicating nutrient limitation or physiological adaptation of phytoplankton. Concentrations of micronutrients and algal biomass in the reservoirs are largely altered by high flushing rate resulting from irrigation release. Underwater light climate and nutrient availability control the rate of photosynthesis and subsequent areabased primary production to a great extent. However, morpho-edephic index or euphotic algal biomass in the most productive stratum of the water column is not a good predictor of photosynthetic capacity or daily rate of primary production of these shallow tropical irrigation reservoirs.