Abstract Disorderly use of water resources has led to depletion, causing environmental and social issues. A relevant aspect to be observed in water supply systems is physical losses which occur during the system’s entire operational process. Many different software packages allow simulations of pressures and flow in water networks. The most used is EPANET. The epanet2toolkit is a recently developed R package that performs the interaction between EPANET and R. Based on this tool, a set of functions is developed to study and evaluate a theoretical network. The objective is to find an ideal network configuration (design) mainly for pressure management which simultaneously reduces physical losses. Water network parameters, such as roughness, reservoir levels, and diameters are used as parameters. A Monte Carlo simulation is generated, based on random values of these network parameters. From these, an ideal pressure scenario is found, resulting in a reduction of 11.6% in the occurrence of physical losses concerning the base case.

Resumo O uso desordenado dos recursos hídricos tem levado ao esgotamento, resultando no surgimento de questões ambientais e sociais. Um aspecto relevante a ser observado nos sistemas de abastecimento de água são as perdas físicas que ocorrem durante todo o processo operacional do sistema. Muitos pacotes de software diferentes permitem simulações de pressões e fluxos em redes de água. O mais utilizado é o EPANET. O epanet2toolkit é um pacote R recentemente desenvolvido que realiza a interação entre EPANET e R. Com base nesta ferramenta, são desenvolvidos um conjunto de funções para estudar e avaliar uma rede teórica. O objetivo é encontrar uma configuração de rede ideal (projeto) principalmente para gerenciamento de pressão que reduza simultaneamente as perdas físicas. Os elementos da rede hídrica, como rugosidade, níveis dos reservatórios e diâmetros são utilizados como parâmetros. Uma simulação de Monte Carlo é gerada, com base em valores aleatórios dos parâmetros desta rede. A partir destes, é encontrado um cenário de pressão ideal, resultando em uma redução de 11,6% na ocorrência de perdas físicas em relação ao caso base.

Abstract The main perspective of the present work is the mathematical simulation of dissolved oxygen and biochemical oxygen demand transformations in the Pardo River (Espírito Santo, Brazil), considering the incorporation of uncertainty analysis by the Monte Carlo method. For the Monte Carlo method application, hydrodynamic variables, Pardo River initial quality conditions, and effluents and water quality model kinetic constants were randomly generated with the aid of Normal and Uniform probability distributions. The use of each probability distribution involved performing 1,000 (one thousand) simulations of the dissolved oxygen and biochemical oxygen demand profiles. The simulation results indicated that, for the studied watercourse, the minimum dissolved oxygen concentrations varied predominantly between 6.0 and 6.5 mg.L-1 and, in none of the simulations, did they present lower values to the environmental quality standard. biochemical oxygen demand concentrations, in turn, remained above the maximum environmental quality standard in the Pardo River largest intermediate portion, with maximum values between 16.0 and 17.7 mg.L-1. The use of different probability distributions for the random generation of hydrodynamic variables, kinetic constants, and water quality concentrations parameters did not produce variations considered relevant when analyzing the frequency of critical concentrations of simulated water quality parameters.

Resumo A principal perspectiva do presente trabalho é a simulação matemática de transformações de oxigênio dissolvido e demanda bioquímica de oxigênio no rio Pardo (Espírito Santo, Brasil), considerando a incorporação de análise de incerteza pelo Método de Monte Carlo. Para a aplicação do Método de Monte Carlo, as variáveis hidrodinâmicas, condições iniciais de qualidade do rio Pardo e efluentes e constantes cinéticas do modelo de qualidade de água foram gerados aleatoriamente com auxílio das distribuições de probabilidade Normal e Uniforme. O emprego de cada distribuição de probabilidade envolveu a realização de mil simulações dos perfis de oxigênio dissolvido e demanda bioquímica de oxigênio. Os resultados das simulações indicaram que, para o curso d’água estudado, as concentrações mínimas de oxigênio dissolvido variaram predominantemente entre 6,0 e 6,5 mg∙L-1 e, em nenhuma das simulações, apresentaram valores inferiores ao padrão de qualidade ambiental. As concentrações de demanda bioquímica de oxigênio, por sua vez, permaneceram acima do padrão de qualidade ambiental na maior porção intermediária do rio Pardo, com valores máximos entre 16,0 e 17,75 mg∙L-1. No entanto o emprego de diferentes distribuições de probabilidade para a geração aleatória de variáveis hidrodinâmicas, constantes cinéticas e concentrações dos parâmetros de qualidade de água não produziu variações consideradas relevantes quando da análise de frequência das concentrações críticas dos parâmetros de qualidade de água simulados.

RESUMO O presente estudo tem como principal perspectiva o emprego da análise multicritério para a seleção de sistemas de tratamento de esgotos para a bacia hidrográfica do rio Pardo, curso d’água localizado na região sul do Estado do Espírito Santo, considerando o emprego de duas diferentes estruturas de preferências. As eficiências mínimas de remoção de demanda bioquímica de oxigênio foram utilizadas como critério de pré-seleção. A hierarquização dos sistemas de tratamento envolveu conjunto de critérios ambientais, tecnológicos, operacionais e sociais. Para a condução da análise multicritério foi empregado o método Elimination et Choix Traduisant la Realité (ELECTRE) II. Os resultados mostraram que a imposição de padrões para efluentes levou à seleção de variações do processo de lodos ativados, principalmente para os núcleos populacionais mais densos. A incorporação da capacidade da autodepuração dos cursos d’água reduziu o esforço de tratamento no âmbito da bacia, conduzindo, para diferentes núcleos urbanos, à seleção de variações dos sistemas de lagoas de estabilização ou de reatores Upflow Anaerobic Sludge Blanket. As estruturas de preferência analisadas, no entanto, conduziram à seleção de diferentes sistemas de tratamento para os diferentes núcleos urbanos e condições de lançamentos, com variações mais pronunciadas para os locais com menores populações.

ABSTRACT The main perspective of this work is the selection of sewage treatment systems for the Pardo river hydrographic basin, a watercourse located in the southern region of the state of Espírito Santo, Brazil, by using a Multicriteria Analysis, considering two different preference structures. Minimum Biochemical Oxygen Demand removal efficiencies were used as pre-selection criteria. The treatment systems hierarchy involved a set of environmental, technological, operational and social criteria. To conduct the Multicriteria Analysis, the ELECTRE II method was used. The results indicated that the imposition of standards for effluents led to the selection of activated sludge treatment systems variations, mainly for denser population centers. The incorporation of the watercourses self-purification capacities reduced the treatment effort within the basin, leading, for different urban centers, to the selection of stabilization ponds or Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactors treatment systems variations. The preference structures analyzed, however, led to the selection of different treatment systems for different urban centers and sewage discharge conditions, with more pronounced variations for localities presenting smaller populations.

RESUMO As perdas físicas de água em uma rede de distribuição podem ser causadas pelo excesso de pressão na rede, erroneamente associada a bom atendimento. Assim, é necessário não apenas reduzir o excesso de pressão, mas também saber onde ocorrem as perdas para providenciar soluções. O uso de ferramentas, como o Sistema de Informações Geográficas, e as simulações computacionais da rede são essenciais para a redução de perdas. Foi então realizado o estudo de uma rede real de distribuição de água em uma região montanhosa do sul de Minas Gerais, por meio do levantamento do setor a ser estudado, com o uso desse sistema de informações, e então feitas três simulações com o uso do software Epanet 2.0, sendo uma delas o cenário-base de referência para comparação com os cenários onde se realizaram melhorias. Depois, foram feitos mapas com o uso de do mesmo sistema informacional para levantamento das pressões e das mudanças realizadas na rede. Também foi feita uma projeção populacional no horizonte de 20 anos, tomando como partida o ano de 2020, para verificar se os indicadores de eficiência energética decairiam ao longo do tempo, com o aumento da população. Assim, os resultados dos três cenários (base, 32 e 35) foram 57,4, 48,2 e 46,6%, respectivamente, indicando redução de perdas conforme a redução da pressão nos cenários, e os indicadores de eficiência energética mostraram uma queda ao longo do horizonte estudado, contudo aceitáveis. Conclui-se que o uso desse sistema aplicado à rede de distribuição de água contribuiu para as análises com vistas à redução das perdas reais e de eficiência hídrica e energética em redes de distribuição de água.

ABSTRACT Excess of water head usually is misidentified as synonymous of good service, leading to water losses in the distribution network. Reducing excess of pressure and identify leaks using tools like Geographic Information Systems and computational simulations is essential to reduce water losses. The study was carried out simulating a real water distribution system in a mountainous city of south of Minas Gerais, with Geographic Information Systems survey of the region and three simulations using the Epanet software, one of which being the original scenario to compare with improved ones. Subsequently, maps using Geographic Information Systems assess pressure and modifications at the network were generated. A populational projection with a 20-year horizon, starting in 2020, was also carried out to assess whether energy efficiency indicators would decrease over time with the increase in population. The losses at base scenario and scenarios 32 and 35 was 57.4, 48.2, and 46.6%, showing a reduction in losses along pressure reduction, and energy efficiency indicators showed a decrease over the studied horizon, though still acceptable. This article concludes that the use of Geographic Information Systems applied to the water distribution network contributed to the analysis to reduce real losses and water and energy efficiency in water distribution networks.

Resumo A ineficiência dos procedimentos operacionais das companhias de saneamento ameaça o abastecimento futuro da população. Assim, o aumento da eficiência hidroenergética mostra-se essencial para atender a demanda. As técnicas de otimização são ferramentas importantes na análise de problema complexos, que é caso das redes de distribuição de água para abastecimento, destacando-se os algoritmos genéticos, consagrados pela literatura. Neste sentido propõe-se aqui um modelo de otimização de operação de rede de distribuição de água utilizando algoritmos genéticos. O diferencial da pesquisa e metodologia baseada na análise dos resultados com o uso de ferramentas de estatística e planejamento de experimentos. A técnica foi aplicada a uma rede teórica desenvolvida para o estudo. Simulações preliminares foram feitas com o uso do Epanet representando as principais causas da ineficiência hidroenergética nas companhias de saneamento brasileiras. Para a aplicação do modelo foram alterados parâmetros tais como: níveis reservatórios, diâmetro das tubulações, pressões de bombeamento e fechamento de válvulas cujos valores foram estabelecidos através de técnicas de planejamento de experimentos. Obteve-se a equação da superfície de resposta, otimizada, que resultou nos valores dos parâmetros hidráulicos estabelecidos. Então, aplicou-se os então os parâmetros obtidos no algoritmo de otimização computacional, resultando em perdas de 26,61%, melhoria de 16,19 p.p. em relação a rede sem otimização, estabelecendo uma estratégia operacional envolvendo três bombas e uma válvula redutora de pressão. Conclui-se que a associação de técnicas de otimização a planejamento de experimentos constitui uma promissora técnica para tratar da complexidade de otimização de rede de distribuição de água.

Abstract Inefficiency of sanitation companies’ operation procedures threatens the population’s future supplies. Thus, it is essential to increase water and energy efficiency in order to meet future demand. Optimization techniques are important tools for the analysis of complex problems, as in distribution networks for supply. Currently, genetic algorithms are recognized by their application in literature. In this regard, an optimization model of water distribution network is proposed, using genetic algorithms. The difference in this research is a methodology based on in-depth analysis of results, using statistics and the design of experimental tools and software. The proposed technique was applied to a theoretical network developed for the study. Preliminary simulations were accomplished using EPANET, representing the main causes of water and energy inefficiency in Brazilian sanitation companies. Some parameters were changed in applying this model, such as reservoir level, pipe diameter, pumping pressures, and valve-closing percentage. These values were established by the design of experimental techniques. As output, we obtained the equation of response surface, optimized, which resulted in values of established hydraulic parameters. From these data, the obtained parameters in computational optimization algorithms were applied, resulting in losses of 26.61%, improvement of 16.19 p.p. with regard to the network without optimization, establishing an operational strategy involving three pumps and a pressure-reducing valve. We conclude that the association of optimization and the planning of experimental techniques constitutes an encouraging method to deal with the complexity of water-distribution network optimization.

Resumo O objetivo do presente estudo é simular transformações dos compostos de nitrogênio em rios com incorporação da análise de incerteza conduzida pelo Método de Monte Carlo. A área de estudo considerada foi o trecho final do Rio Piracicaba, importante afluente do Rio Doce no território mineiro. A análise de incerteza conduzida envolveu gerações aleatórias de variáveis hidrodinâmicas, condições iniciais de qualidade de água e constantes cinéticas. A adoção de diferentes coeficientes de variação nas gerações aleatórias das constantes cinéticas que regulam o decaimento do nitrogênio orgânico não influenciou de maneira significativa os valores extremos das concentrações máximas de nitrogênio orgânico ou nitrogênio amoniacal. Nas simulações conduzidas, concentrações máximas de nitrogênio orgânico que se situaram mais frequentemente entre 0,20 mg.L-1 e 0,22 mg.L-1 (42%), de nitrogênio amoniacal entre 0,28 mg.L-1 e 0,30 mg.L-1 (30%), de nitrito entre 0,05 mg.L-1 e 0,07 mg.L-1 (49%) e de nitrato entre 0,46 mg.L-1 e 0,50 mg.L-1 (37%). As concentrações máximas estimadas para nitrogênio amoniacal, nitrito e nitrato não superaram os padrões de qualidade ambiental estabelecidos pela Resolução CONOMA no 357/2005 para cursos d’água classe 2. Gerações aleatórias das constantes cinéticas que regularam o decaimento do nitrogênio amoniacal e do nitrito, considerando coeficientes de variação iguais ou superiores a 50%, produziram alterações relevantes nos valores e formas dos histogramas de frequência das concentrações máximas de nitrogênio amoniacal, nitrito e nitrato. Em determinadas simulações, foi observada, também, inibição da produção das formas mais oxidadas de nitrogênio.

Abstract This study simulated nitrogen-compound concentration changes in rivers, taking into account uncertainty analysis carried out by the Monte Carlo Method. The study area is the final stretch of the Piracicaba River, located in Minas Gerais, Brazil, which is an important Doce River tributary. The uncertainty analysis took into account random generation of hydrodynamic variables, initial water quality conditions and kinetic constants. Different variation percentages for the organic nitrogen decay kinetic constants random generation did not influence considerably the ammonia or organic nitrogen maximum concentration extreme values. In the simulations, maximum organic nitrogen concentrations were most frequently between 0.20 mg.L-1 and 0.22 mg.L-1 (42%), maximum ammonia nitrogen between 0.28 mg.L-1 and 0.30 mg.L-1 (30%), maximum nitrite between 0.05 mg.L-1 and 0.07 mg.L-1 (49%) and maximum nitrate between 0.46 mg.L-1 and 0.50 mg.L-1 (37%). Estimated maximum concentrations for ammonia nitrogen, nitrite and nitrate did not exceed the environmental quality standards established by Brazilian CONAMA Resolution 357/2005 for Class 2 watercourses. Random generation of kinetic constants that regulate ammonia and nitrite decay produced significant ammonia nitrogen, nitrite, and nitrate peak concentrations value frequencies, histograms and forms changes, when considering variation percentages equal to or greater than 50%. Some simulation results showed more inhibition of oxidized nitrogen forms production.

RESUMO O nitrogênio constitui importante parâmetro para o controle da poluição hídrica, uma vez que a nitrificação produz consumo de oxigênio do ambiente aquático, além da toxicidade associada à algumas formas de nitrogênio. Este estudo estabeleceu e empregou modelo de otimização visando a determinação simultânea de eficiências mínimas de remoção de demanda bioquímica de oxigênio e compostos de nitrogênio. Para resolução do modelo de otimização foram associados modelo de qualidade da água e a Metaheurística Algoritmo Genético. As eficiências mínimas estimadas condicionaram a pré-seleção de sistemas de tratamento de esgotos. A área de estudo foi a bacia hidrográfica do rio Pardo (Espírito Santo, Brasil). Os resultados indicaram que, função do aumento da toxicidade da amônia com a elevação de pH, os sistemas de tratamento precisam ser mais eficientes na remoção de amônia, quando da disposição dos efluentes tratados em cursos d’água com elevados valores de pH. O processo de pré-seleção, consideradas as condições de contorno assumidas neste estudo, indicou para Ibatiba sistemas de lodos ativados, biofiltro aerado submerso com nitrificação ou com remoção biológica de nitrogênio. Para os povoados Santíssima Trindade e Nossa Senhora das Graças foram pré-selecionados sistemas mais simples como tratamento primário com tanques sépticos, lagoas de estabilização, reatores UASB e filtros biológicos.

ABSTRACT Nitrogen is a very important parameter for water pollution control since nitrification implies in aquatic environment oxygen consumption and some nitrogen forms are toxic. In the present study, an optimization model was developed and applied aiming at simultaneous organic matter and nitrogen compounds minimum removal efficiencies determination. A water quality model and the Genetic Algorithm Metaheuristic were associated in order to solve the optimization problem. The estimated minimum efficiencies conditioned the sewage treatment systems pre-selection. The study area was the Pardo River watershed (Espírito Santo State, Brazil). The results indicate that the treatment systems need to be more efficient in ammonia removal when the treated effluents disposed in watercourses that present high pH values because ammonia toxicity increases with pH. Considering the boundary conditions assumed in this study, the pre-selection process indicated activated sludge systems, submerged aerated biofilter with nitrification, or with biological nitrogen removal, for Ibatiba city. Simpler systems such as primary treatment with septic tanks, stabilization ponds, UASB reactors and biological filters were pre-selected for Santíssima Trindade and Nossa Senhora das Graças towns.

Resumo A irrigação é responsável por aproximadamente 70% do consumo de água doce do mundo e é um dos principais fatores por trás da crescente escassez de água global. As técnicas e sistemas de irrigação são extremamente diferenciadas e complexas. Neste contexto, as ferramentas de dinâmica de fluidos computacional (CFD) ganham relevância, permitindo uma análise detalhada e previsão do comportamento hidráulico em diferentes situações. Com o objetivo de avaliar os detalhes do escoamento no gotejador, o presente estudo se aplica a ferramentas de CFD para um sistema de irrigação por gotejamento sob três perspectivas diferentes: (i) analisando o sistema completo composto de tubulações e gotejador; (ii) analisar apenas o gotejador isolado expandido e modelo bifásico; e (iii) com o gotejador isolado operando em regime transiente. Os resultados da modelagem e simulação mais tarde permitiu uma visão completa dos campos de velocidade e pressão e fricção perda ao longo da geometria. O processo de formação de gotas na saída do gotejador pode ser exibido com detalhes e a saída do fluxo de gotejador obtido foi próximo ao valor nominal do fabricante, no caso de análises do gotejador isolado. Embora não tenha sido possível no momento uma comparação com resultados provenientes de experimentos, com base em catálogos de fabricantes, as qualidades dos resultados foram bons e modelagem bem sucedida.

Abstract Irrigation is responsible for approximately 70% of the world’s freshwater consumption and is one of the key factors behind the growing global water scarcity. Irrigation systems and techniques are extremely differentiated and complex. In this context, tools of computational fluid dynamics (CFD) earn relevance, allowing a detailed analysis and forecast of hydraulic behavior in different situations. In order to evaluate flow details in a dripper, this study applies CFD tools to study a drip irrigation system from three different perspectives: (i) analysis of the complete system of piping and dripper; (ii) analysis of only the isolated dripper expanded and biphasic model; and (iii) analysis of the isolated dripper operating in transient regime. Modeling results allowed a full understanding about speed fields, pressure and friction loss along the geometry. The drop formation process in the dripper output could be displayed in detail, and the obtained dripper flow output was close to the nominal value of manufacturer, in the case of the isolated dripper analysis. Although a comparison with results from experiments was not possible at the time, based on manufacturers’ catalogs, results proved satisfactory, leading to successful simulations.

Os modelos hidrossedimentológicos têm enorme potencial no Brasil para ser a melhor ferramenta de estimativa de perda de solo, devido principalmente a sua complexidade na descrição dos processos e sua robustez que os fundamenta. Entretanto, devido à necessidade de uma quantidade muito grande de informações requerida, aliada a dificuldades de adaptações desses modelos internacionais e necessidade de tempo e estrutura para criação de modelos nacionais, a Equação Universal de Perda de Solo (EUPS) e suas variações ainda são uma referência no Brasil para determinação de perda de solo. Neste trabalho, utilizou-se um atual modelo de cálculo do fator LS, o Software USLE 2D, em conjunto com o IDRISI. A aplicação foi feita na Fazenda Canchim da Embrapa Pecuária Sudeste; consistindo o primeiro trabalho desta natureza realizado nessa área com tais ferramentas. Os resultados obtidos mostraram-se coerentes com os tipos de solo, as declividades e a cobertura vegetal da área de estudo.

The hydrosedimentological models have an enormous potential in Brazil to be the best tool for the estimative of soil lost principally due to their complexity on description of the processes and the robustness that validate them. However, due to a need of a very big volume of required information in connection with the difficulties to adapt the international models and the need of time and structure to create national models, the Universal Soil Lost Equation (USLE) and its variations still are a reference in Brazil to soil lost determination. In this article, a new model to calculate the SL factor, the USLE 2D Software combined with the IDRISI were used. The inedited application was done in Southeast Cattle Breeding Embrapa's Canchim Farm, consisting on the first work of this nature done in this area with such tools. The results obtained were coherent to types of soil, slopes and vegetal cover in the area of study.

A utilização de modelos para a quantificação da produção de sedimentos e conseqüente arraste de partículas em bacias hidrográficas é de grande importância para profissionais da área de gerenciamento e planejamento ambiental. Os resultados do modelo podem ser utilizados no diagnóstico da situação e dinâmica de contaminação de uma bacia hi-drográfica, servindo como ferramenta fundamental para se tomar medidas de controle e ou preventivas. Os sedimentos gerados pelos processos erosivos podem carrear dejetos animais habitualmente utilizados como fertilizantes, atingindo águas superficiais, pelos fenômenos do escoamento superficial e também águas subterrâneas, pelo fenômeno da lixiviação. Neste contexto, aplicamos o modelo hidrossedimentológico AVSWAT (Arc View Soil and Water Assessment Tool) à Microbacia Hidrográfica do Rio Bonito (Descalvado - SP), com a finalidade de avaliar o aporte de nitrogênio (N) e fósforo (P) aos mananciais. Os resultados mostraram-se promissores de acordo com a avaliação de alguns parâmetros realizada.

The use of models to the quantification of sediments production and consequent particles drag in hydrographic basins is very important to the professionals of the field of environmental management and planning. The model results can be used to diagnosis of situation and a hydrographic basin contamination, serving as a fundamental tool to take control and/or protection measures. The sediments created by erosion processes can drag the animals dejects usually used as fertilizers, reaching the superficial waters through the superficial running out phenomenon as well the table waters through the lixiviation phenomenon. In this context, we apply the hydrosedimentological model AVSWAT (Arc View Soil and Water Assessment Tool) to the Hydrographic Micro-basin of Rio Bonito (Descalvado - SP), aiming to evaluate the nitrogen (N) and phosphorus (P) entry on the springs. The results were promising according to some evaluated parameters.