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RESUMO A delimitação de bacias hidrográficas, geração da rede de drenagem e determinação de características hidráulicas de um rio de interesse são partes importantes de estudos na área de hidrologia. Atualmente muitas dessas informações são obtidas com o processamento de modelos digitais de elevação (MDEs) em softwares comerciais de SIG, como o ArcGIS e o IDRISI. Por outro lado, pacotes de SIG para uso livre, ou seja, gratuitos e de código aberto, têm aumentado significativamente nos últimos anos, e as vantagens desses pacotes incluem ampla distribuição e customização, desenvolvimento continuado pela comunidade de usuários e atendimento a necessidades específicas. Este trabalho apresenta o pacote livre (open-source) denominado IPH-Hydro Tools, um conjunto de ferramentas acoplado ao software livre MapWindow GIS criado para facilitar a aquisição de informações topológicas em bacias hidrográficas, bem como realização de etapas de pré-processamento em modelos hidrológicos a exemplo do MGB-IPH. Para avaliar a aplicabilidade e o desempenho da ferramenta desenvolvida foram realizados testes específicos, através da comparação dos resultados do IPH-Hydro Tools em relação a outros pacotes de SIG (ArcGIS, IDRISI, WhiteBox) disponíveis para esta finalidade. O IPH-Hydro Tools apresentou qualidade de rede de drenagem geralmente superior aos demais pacotes e menor tempo de processamento necessário para delimitação de bacias, apesar de algumas limitações como incompatibilidade em relação a matrizes muito grandes e dificuldade na representação da rede de drenagem em áreas extensas de mesma cota, a exemplo de reservatórios e rios muito largos. ABSTRACT Watershed delineation, drainage network generation and determination of river hydraulic characteristics are important issues in hydrological sciences. In general, this information can be obtained from Digital Elevation Models (DEM) processing within GIS commercial softwares, such as ArcGIS and IDRISI. On the other hand, the use of open source GIS tools has increased significantly, and their advantages include free distribution, continuous development by user communities and full customization for specific requirements. Herein, we present the IPH-Hydro Tools, an open source tool coupled to MapWindow GIS software designed for watershed topology acquisition, including preprocessing steps in hydrological models such as MGB-IPH. In addition, several tests were carried out assessing the performance and applicability of the developed tool, given by a comparison with available GIS packages (ArcGIS, IDRISI, WhiteBox) for similar purposes. The IPH-Hydro Tools provided satisfactory results on tested applications, allowing for better drainage network and less processing time for catchment delineation. Regarding its limitations, the developed tool was incompatible with huge terrain data and showed some difficulties to represent drainage networks in extensive flat areas, which can occur in reservoirs and large rivers.

Modelos hidrológicos são capazes de representar processos do ciclo hidrológico através de equações matemáticas. Dentre esses processos, a propagação de vazão nos rios é de grande importância, especialmente em bacias de grande escala. Em geral, o módulo de propagação de vazão implementado nos modelos hidrológicos é simplificado, sendo adotada uma versão da metodologia de onda cinemática, na maior parte dos casos. Apesar disso, modelos que utilizam essas metodologias produzem resultados aceitáveis na maioria das aplicações. Entretanto, bacias com rios de baixa declividade, com trechos sujeitos a remanso, ou com extensas planícies de inundação, podem não ser bem representados por metodologias de propagação simplificadas. Uma alternativa é o uso de modelos hidrodinâmicos para propagação de vazão. Entretanto, esses modelos necessitam de mais dados de entrada e possuem equacionamentos complexos. Uma opção de complexi- dade intermediária que pode ser adotada é utilizar uma aproximação das equações de Saint-Venant que despreza apenas o termo de inércia advectiva na equação dinâmica. Esta aproximação vem sendo chamada de modelo inercial, ou método inercial. Esse artigo apresenta uma proposta de uma nova versão do modelo hidrológico MGB-IPH, em que o módulo de propagação de vazões na rede de drenagem, originalmente baseado no método Muskingum-Cunge, é substituído pelo método inercial. Além disso, o artigo também apresenta uma forma de representar redes de drenagem com ilhas ou laços, e extensas áreas inundáveis. A bacia do rio Araguaia foi escolhida para testar a metodologia, por possuir rios com alta e baixa declividade e regiões de planície de inundação, como a Ilha do Bananal. Os resultados do modelo MGB-IPH com propagação Inercial foram comparados com a propagação por Muskingum-Cunge através de medidas de desempenho entre as vazões calculadas e observadase mapas de inundação. Os resultados mostraram que utilizando o método inercial, o modelo MGB-IPH representa melhor os efeitos de atenuação da onda de cheia do que utilizando o métodoMuskingum-Cunge. Os mapas de inundação calculados pelo modelo MGB-IPH com o método de propagação inercial foram comparados com imagens do sensor MODIS mostrando que é possível representar, em escala regional, grandes regiões inundáveis como a Ilha do Bananal, mesmo sem dados detalhados de seções transversais e de topografia. Hydrological models are capable of representing basin scale processes through mathematic equations. Among them, flow routing is important, especially for large-scale basins. Flow routing methods used in hydrologic models are commonly simplified, and show satisfactory results in most cases. However, low slope rivers, rivers with backwater effects, or rivers with large flood plains cannot be well represented by simplified flow routing methods. An alternative for them is the full Saint-Venant equations model (hydrodynamic model). Nevertheless, this model demands more input data and its equations are more complex. An easier option than the full Saint-Venant equations model is the Inertial model, which ignores the inertial term from the Momentum equation. This paper presents an improvement of the MGB-IPH hydrologic model, where the simplified flow routing method is replaced by the Inertial model. Furthermore, this paper shows a methodology to represent island sand/or bifurcations in rivers. The Araguaia river basin was selected as a case study due to its particular physical characteristics. Results of the MGB-IPH with Inertial flow routing model were compared to conventional MGB-IPH Muskingum-Cunge method results, and to observed flow data. General outcomes show that observed flow data are better represented by the new improved MGB-IPH model. Furthermore, the simulated flood plain areas were visually well represented in comparison with MODIS imagery.

Previsões hidrológicas de curto e médio prazo normalmente estão associadas a muita incerteza, principalmente relacionadas com o uso de informações de previsões meteorológicas. Uma forma de considerar esta incerteza no processo de previsão e de tomada de decisão é o uso de previsões probabilísticas, obtidas na forma de previsões por conjunto (ou por ensemble). Nesta modalidade de previsões geralmente são gerados diversos cenários futuros possíveis, com o objetivo de quantificar as incertezas no processo de geração das previsões. Estudos recentes têm demonstrado benefícios promissores no uso de previsões por conjunto em detrimento de previsões determinísticas. O presente trabalho propõe uma abordagem complementar relacionada com o tema. Primeiramente é feita uma breve introdução sobre como previsões de vazão são utilizadas atualmente no Brasil, e como previsões por conjunto poderiam ser adotadas neste contexto. Em seguida é apresentada a análise dos resultados de um jogo realizado durante o XX Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos em 2013 na cidade de Bento Gonçalves (RS), que contou com a participação do público presente no evento no papel tomadores de decisão utilizando informações de previsão de vazão, usando e não utilizando informações de previsões probabilísticas. Os resultados do jogo apresentaram, de forma geral, que previsões com probabilidades leva- ram na maior parte dos casos a decisões melhores e mais coerentes entre múltiplas pessoas. Acredita-se que este argumento ajude a motivar desenvolvimentos de mais pesquisas e sistemas operacionais de previsão por conjunto no cenário brasileiro. Short and medium term hydrological forecasts are usually associated with large uncertainty, especially concerning the use of information from numerical wea- ther forecasts. One way to consider this uncertainty in the forecasting and decision-making process is the use of probabilistic predictions, obtained as ensemble forecasts. Usually at these kinds of forecasts several possible future scenarios are generated in order to quantify the uncertainties in the process. Recent studies have shown promising benefits on using ensemble forecasts rather than deterministic ones. This paper proposes a complementary approach related to the topic. First a brief introduction to streamflow forecasts current use in Brazil is made, and discussed how ensemble forecasts could be taken in this context. Then we present results of a game held during the XX Brazilian Symposium on Water Resources in 2013 in the city of Bento Gonçalves (RS), which had the public participation at the event playing the whole of decision makers that uses forecast information, using and not using information from probabilistic forecasts. The game results showed, in general, that probabilistic forecasts led in most cases to better and more consistent decisions among multiple persons. We believe that this argument helps to motivate the development of more research and more operational ensemble forecasting systems in the Brazilian scenario.

Na simulação numérica de escoamento, a simplificação da equação dinâmica pode ser útil, tanto em relação à estabilidade da solução numérica quanto ao ganho computacional. Tendo em vista esta preocupação, este trabalho avalia o uso de um modelo obtido ao se desconsiderar o termo advectivo da equação de Saint-Venant, denominado de modelo inercial local, ou simplesmente modelo inercial, na simulação de escoamentos influenciados por fechamentos de compor- tas, com enfoque na onda superficial provocada por estes fechamentos. Os resultados do modelo inercial são comparados com os resultados do modelo HEC -RAS, que utiliza uma solução da equação de Saint-Venant completa, a fim de se verificar no que a simplificação do termo convectivo acarreta. Os resultados obtidos com o modelo inercial se assemelharam aos do modelo HEC-RAS dependendo do tipo de onda formada, da vazão, e da altura do escoamento. Para escoamentos com a mesma vazão e altura, a validade do modelo inercial pode ser identificada utilizando adimensionais que relacionam características da onda com a altura do escoamento. Entretanto, para escoamentos expressivamente diferentes, estes adimensionais não indicaram a validade da simulação pelo modelo inercial, devendo-se analisar o peso dos termos da equação dinâmica. Observa-se que o código do programa com a aproximação inercial possui menos oscilações numéricas, quando se adota uma malha grosseira, do que o código do programa com as equações completas. Com o aumento da declividade do canal não foi identificado se importância do termo advectivo da equação dinâmica é maior ou menor. A partir deste trabalho, acredita-se que os testes realizados para ondas geradas pelo fechamento de comportas podem se estender para ondas superficiais formadas por outras fontes. In a numerical flow simulation, the simplification of partial equations can be useful for numerical solution stability and computational effort. This study evaluates the model obtained from the Saint-Venant equation simplification, which ignores the advective term, called inertial model in flow simulation influen- ced by closing gates, focusing on the surface wave caused by this closure. Inertial model results are compared with HEC-RAS model results, which use full Saint-Venant equation. For different problems, an inertial model can be appropriately used depending on wave type, flow rate and flow height. For similar flows (similar flow rate and height) the simulation validity can be verified by wave steepness, but for different flows, wave steepness should not be used and analysis of dynamic equation terms should be done. It is observed that inertial approximation code has less numerical oscillations that the HEC-RAS code. Channel slope does not indicate if the advective term is or not important. It is thought that waves generated by closing gate tests may be extend to surface waves generated by other sources.

A estimativa de recargas aquíferas é um fator determinante para a gestão sustentável das águas subterrâneas, uma vez que permite a manutenção da quantidade e qualidade da água dos aquíferos. Para a estimativa de recargas aquíferas existem diversos métodos que podem ser empregados e que variam de acordo com as características da área estudada e as escalas a serem trabalhadas. No presente estudo foram avaliadas as estimativas de recarga na Bacia Hidrográfica do Rio Ibicuí utilizando os métodos de Separação de Escoamento de Base e Variação dos Níveis d’Água. Levando em consideração as limitações de escala, os resultados da estimativa de recarga aquífera pelos dois métodos convergiram.

Os procedimentos para decidir tecnicamente sobre pedidos de outorga de direito de uso da água envolvem etapas de comparação entre a demanda e a disponibilidade de água, as quais têm forte relação com os atributos espaciais da rede de drenagem e da localização dos diferentes e água em uma bacia hidrográfica. Idealmente, portanto, modelos hidrológicos utilizados para analisar a disponibilidade de água nos locais onde a outorga é solicitada deveriam ser integrados a um Sistema de Informação Geográfica (SIG). Neste trabalho apresentamos uma metodologia integração de modelos hidrológicos e SIG para auxílio à tomada de decisão em pedidos de outorga de direito de uso da água. A metodologia envolve: 1) a utilização de SIG para pré-processamento de dados visando a aplicação de um modelo hidrológico chuva-vazão; 2) a aplicação do chuva-vazão para gerar estimativas da vazão de referência adotada como disponibilidade hídrica em cada trecho de em que é dividida a bacia; 3) a transferência dos resultados do modelo hidrológico de volta ao SIG; e 4) a aplicação de um Sistema de Suporte à Decisão no qual cálculos simples Grande do Sul, de balanço hídrico são realizados internamente em um SIG. É apresentado um teste da metodologia na bacia do rio dos Sinos, no Rio Grande do Sul-Brasil, região em as demandas ultrapassam a disponibilidade de água. Os resultados no estudo de caso demonstraram que é possível aprimorar a metodologia de análise de outorga ao SIG e modelagem hidrológica para auxílio à tomada de decisão, facilitando assim o aproveitamento sustentável dos recursos hídricos numa bacia baseados no conhecimento da variabilidade sazonal e espacial da sua disponibilidade. The procedures for technical deciding about water use permits, involve steps of comparison between de‑ mand and availability of water which has a strong relation‑ ship between the spatial attributes of the drainage network and the location of different water users in a watershed. Therefore, ideally, the models used to make these analyses should be integrated into a Geographic Information System ‑ GIS. We propose a methodology for integrating GIS and hydrological models to support decision making in analysis of water use permits requests. The methodology involves 1) the use of GIS for pre‑processing of data for the application of a rainfall runoff hydrologic model; 2) the application of rainfall‑runoff model to generate estimates of the flow of reference adopted as water availability in every stretch of river; 3) transfer the results of the hydrological model back to the GIS; and 4) the application of a Decision Support System in which simple calculations of water balance are done entirely in GIS environment. The presented meth‑ odology was tested at the Dos Sinos River basin, at Rio Grande do Sul, Brazil, region where the demands exceed the water availability. The results of this case study showed that it is possible to improve the methodology used to analyze the granting of water rights for use permits when GIS and hydrological models are integrated.

É crescente a disponibilidade e utilização de campos de chuva estimados por sensoriamento remoto ou calculados por modelos de circulação da atmosfera, os quais são freqüentemente utilizados como entrada para modelos hidrológicos distribuídos. A distribuição espacial dos campos de chuva estimados é altamente relevante e deve ser avaliada frente aos campos de chuva observados. Este artigo propõe um método de comparação espaço-temporal entre campos de chuva observados e estimados baseado na comparação pixel a pixel e na construção de tabelas de contingência. Duas abordagens são utilizadas: (i) a análise integrada no espaço gera índices de performance que retratam a qualidade do campo de chuva estimada em reproduzir a ocorrência de chuva observada ao longo do tempo; (ii) a análise integrada no tempo produz mapas dos índices de performance que resumem a destreza das estimativas de ocorrência de chuva em cada pixel. Como exemplo de aplicação, é analisada a chuva estimada na climatologia do modelo global de circulação da atmosfera CPTEC/COLA sobre a bacia do Rio Grande. Utilizando-se cinco índices de performance, o método proposto permitiu identificar variações sazonais e padrões espaciais na performance das estimativas de chuva em relação a campos de chuva derivados de observações em pluviômetros. There is an increasing availability and application of precipitation fields estimated by remote sensing or calculated by atmospheric circulation models, which are frequently used as input for distributed hydrological models. The spatial distribution of the estimated precipitation fields is extremely important and must be verified against observed precipitation fields. This paper proposes a method for spatiotemporal comparison between observed and estimated precipitation fields based on a pixel by pixel comparison and on contingency tables. Two distinct approaches are carried out: (i) the spatial integrated analysis produces skill scores denoting the ability of the estimated precipitation field in reproducing the occurrence of observed precipitation along the time; (ii) the time integrated analysis generates maps of skill scores showing the reliability of the precipitation estimates in each pixel. As an example of application, the estimated precipitation climatology of the CPTEC/COLA global circulation model over the Rio Grande basin is assessed. Using five different skill scores, the proposed method identified seasonal variations and spatial patterns in the performance of the estimated precipitation fields in relation to precipitation fields derived from pluviometers measurement.

A simulação matemática do escoamento em rios tem sido realizada principalmente com modelos unidimensionais (1D) acoplados ou não a células de armazenamento na planície. Para o caso de rios com grandes planícies de inundação, o extravasamento de água do canal para a planície e a propagação da inundação na planície governam a passagem da onda de cheia. Caso o interesse do estudo seja representar esses processos, métodos tradicionais não são adequados e uma abordagem recente tem sido proposta, baseada no acoplamento de um modelo 1D para simular o escoamento na calha principal e um modelo tipo raster para simular o escoamento bidimensional na planície. Este artigo apresenta um sistema computacional de simulação desenvolvido com esse propósito, com exemplo de aplicação à Bacia do Alto Paraguai. Os resultados obtidos indicam excelente reprodução do regime de vazões nas calhas dos rios e a simulação do padrão espaço-temporal de inundações na planície (Pantanal) bastante coerente. As áreas de inundação permanente são ditadas pela água extravasada dos canais principais, enquanto a ocorrência de precipitação é responsável pelo pulso de inundação sazonal, o que ressalta a importância da incorporação dos processos hidrológicos verticais na modelagem da planície. The mathematical simulation of river flow routing has been performed mostly using one-dimensional (1D) models coupled or not with floodplain storage cells. For rivers with large floodplains, the overflow of water from the main channel to the floodplains and the propagation of inundation are the main governing factors of flood wave routing. If the modeling study aims at representing these processes, traditional methods are not adequate. A more recent approach has been proposed, based on coupling a 1D model for channel flow routing and a raster-based model for two-dimensional floodplain inundation routing. This paper presents a computational simulation system developed for this purpose, and its application to the Upper Paraguay river basin. The results obtained show an excellent reproduction of the flow regime in the main channels and the coherent simulation of inundation patterns in space and time. Permanently flooded areas are governed by water exchanged from the main channels, while precipitation plays the key role for the seasonal flood pulse, highlighting the importance of incorporating vertical hydrological processes to floodplain modeling.

A evapotranspiração é uma das variáveis mais importantes do ciclo hidrológico, consistindo na ligação entre energia, clima e disponibilidade hídrica. É considerado um fenômeno bastante complexo, pois depende da interação entre diversas variáveis climáticas e do tipo e estágio de desenvolvimento da vegetação. O objetivo deste trabalho foi a análise de um conjunto amostral de variáveis climáticas, coletadas em dois sítios de monitoramento de vórtices turbulentos instalados em áreas de cultivos de cana-de-açúcar e remanescentes florestais de cerrado sensu stricto na bacia do rio Grande — SP, para identificar o comportamento de cada uma dessas variáveis climáticas e verificar quais apresentam uma maior influência no processo de evapotranspiração. Para tanto, foram aplicadas técnicas de estatística multivariada de análise de componentes principais e agrupamento de variáveis. Concluiu-se que o processo de evapotranspiração, para a área estudada, é comandado por três componentes, que explicam 75 e 82% da variância dos dados em áreas de cerrado e cultivos de cana-de-açúcar, respectivamente: (1) variação da oferta de energia, representada principalmente pelas variáveis Ki e Rn, (2) processo de circulação atmosférica local, representada pelas variáveis de velocidade do vento e pressão atmosférica, que regulam o sistema de precipitação e as condições de umidade do ar e do solo, e, (3) condições da vegetação, que apresentam modificações significativas com a alternância de estações secas e úmidas. One of the most important variables in the hydrological cycle is evapotranspiration, which contributes to the connection between energy, climate and water availability. It is considered a very complex phenomenon, for it depends on the interaction between several climate variables to identify the behavior of each climate variable and to assess factors which highly influence the evapotranspiration process. A set of samples of climate variables was analyzed. They were collected at two turbulent vortex monitoring sites installed in sugar cane fields and remaining “cerrado” sensu stricto in the Grande River basin, São Paulo, Brazil. Therefore, multivariate statistical techniques for analyzing main components and for grouping variables were applied. It was concluded that the evapotranspiration process consists of three components which explain 75 and 82% of variance data in “cerrado” and sugar cane fields, respectively: (1) variation of energy supply, represented mainly by Ki and Rn variables; (2) local atmospheric circulation process, represented by wind speed and atmospheric pressure variables, ruling the system of precipitation and air humidity and soil moisture, and; (3) conditions of the vegetation presenting significant changes in dry and humid seasons.

Os complexos processos do ciclo hidrológico podem ser representados por meio da modelagem hidrológica, sendo os modelos que simulam o processo de transformação da chuva em vazão os mais utilizados. Esses modelos são baseados em equações matemáticas que descrevem, de forma simplificada, o comportamento hidrológico da bacia e possuem parâmetros que devem ser definidos através de um processo de calibração. A calibração manual, por tentativa e erro pode ser uma tarefa tediosa, sobretudo quando o usuário do modelo é inexperiente. A calibração automática, por sua vez, utiliza técnicas numéricas de otimização baseadas no uso intensivo de computadores. Esse trabalho apresenta um algoritmo evolucionário multiobjetivo de otimização desenvolvido por Vrugt et al. (2003) e aplicado na calibração automática do modelo hidrológico IPH II. Os resultados obtidos são promissores, o algoritmo conseguiu uma aproximação uniforme do frente de Pareto nos diferentes testes realizados, mantendo os extremos da mesma bem representados. Ainda mostrou algumas vantagens sobre outro algoritmo evolucionário multi-objetivo atualmente utilizado na calibração automática do modelo hidrológico IPH II. The complex processes of the hydrological cycle can be represented through hydrological modeling, being the models that simulate the rainfall-runoff process the most used of them. These models are based in mathematical equations that describe, in a simplified way, the hydrological behavior of the basin and possess parameters that must be defined through a process of calibration. The manual calibration, by trial and error, can be a tedious task, especially when the model's user is inexperienced. The automatic calibration, however, utilizes numerical optimization techniques based in the intensive use of computers. This study presents a multi-objective evolutionary algorithm of optimization developed by Vrugt et al. (2003) and applied in the automatic calibration of the IPH II hydrological model. The obtained results are encouraging: the algorithm produced a uniform approach of the Pareto Front in all the different tests carried out, keeping well represented its extremities. Additionally this method displayed some advantages over another multi-objective evolutionary algorithm currently used for the automatic calibration of the IPH II hydrological model.

Este artigo apresenta uma discussão quanto à viabilidade de implementação do hidrograma ecológico ao avaliar: seus métodos de determinação; práticas que concorrem para sua implementação, e; a realidade da política brasileira de gerenciamento de recursos hídricos e meio ambiente, no tocante à conservação de rios. Como resultado, uma estrutura mínima para sua implementação consistiria em: legitimar o ecossistema como usuário de água, com prioridade inferior aos humanos básicos apenas; ajustar o gerenciamento de recursos hídricos para considerar hidrogramas ecológicos; definir hidrogramas regionais típicos, como parâmetro para definições locais; classificar rios com relação às suas características prévias à intervenção humana na bacia, incluindo características geomorfológicas, ecológicas e hidrológicas; e elaborar programas de pesquisa e monitoramento de índices que contribuam para refinar estimativas iniciais de hidrogramas ecológicos ao longo de sua operação. This paper presents some debate over the feasibility of applying environmental flows which mimic the natural regime through the assessment of: its prescription methods; water management techniques which would benefit its implementation, and; the Brazilian Water Resources and Environmental Management, especially fluvial systems conservation. As a result, the minimum framework to its implementation would consist of: legitimizing fluvial ecosystems as water resources users; setting management tools to consider environmental flows; establishing regional typical hydrographs, to serve as parameters to local definitions; classifying rivers based on its modification from undisturbed state, including geomorphological, ecological and hydrological aspects; developping research and monitoring programs to refine and evaluate the river status along its management.

A gestão de um ecossistema aquático sujeito a alterações antrópicas envolve analisar diferentes cenários de desenvolvimento econômico-social e ambiental no entorno e no próprio sistema hídrico. Ecossistemas aquáticos rasos tais como lagos e banhados estão suscetíveis à mudança de seu estado trófico quando submetidos a altas cargas de nutrientes e matéria orgânica. A produção primária responde a partir da disponibilidade de nutrientes, sugerindo que alterações na base da cadeia alimentar podem influenciar níveis tróficos acima. A eutrofização está altamente correlacionada com a variação na composição das populações de fitoplâncton, a qual pode ser caracterizada como uma forte indicadora biológica do nível trófico destes ecossistemas. Com o objetivo de avaliar o potencial de eutrofização de ecossistemas aquáticos rasos foi desenvolvido um modelo que representa os principais processos abióticos e bióticos destes sistemas. O modelo proposto é constituído de três módulos: (a) hidrodinâmico; (b) de transporte de nutrientes e (c) biológico relacionado à produtividade do fitoplâncton. Neste artigo foi realizada uma análise de sensibilidade dos parâmetros do modelo biológico, calibração dos parâmetros do módulo hidrodinâmico e simulações de eutrofização no Sistema Hidrológico do Taim (SHT) visando identificar regiões com alto potencial de eutrofização, utilizando a estimativa de clorofila a como indicador. A análise de sensibilidade dos parâmetros biológicos mostrou que a concentração de clorofila a é mais sensível às alterações dos parâmetros relacionados aos efeitos de temperatura da água e às perdas por respiração e consumo por zooplâncton e outros organismos. As simulações de eutrofização mostraram que as regiões mais rasas (litorâneas) no SHT apresentam condições mais favoráveis à eutrofização, enquanto que no canal principal (região pelágica) e na região de Banhado, onde existe redução da radiação solar devido a barreira de macrófitas aquáticas presente, a produtividade é baixa. Water resource management involves analyzing the different economic-social scenarios and environmental development. A shallow aquatic ecosystem such as wetlands or lakes can become eutrophic due affluent conditions, as well as physical, chemical and biological elements. Primary production responds to nutrient availability, suggesting that alterations at the top of the food-web can influence the highest trophic levels. Eutrophication is correlated with the variation in the composition of the phytoplankton population, which can be characterized as a strong biological indicator of the trophic level of those ecosystems. Aiming to evaluate the potential of eutrophication in shallow aquatic ecosystems a model was developed to represent the main biotic and biotic processes of these systems. The considered model is comprised of three modules: (a) hydrodynamic; (b) nutrient transport and (c) biological which deals with phytoplankton productivity. This paper presents the sensitivity analysis of the biological parameters model, parameter calibration of the hydrodynamic model and eutrophication simulation of the Taim Hydrologic System (SHT-Sistema Hidrólogico do Taim), whose aim is to identify regions with a high eutrophication potential. The sensitivity analysis of the biological parameters has shown that the chlorophyll a concentration is most sensitive to changes in the parameters involving water temperature effect and the losses due to respiration and grazing. The eutrophication simulations have shown that the shallow regions present the most favorable conditions for eutrophication, while in the deep region (pelagic region) and in the wetland region where solar radiation is decreased due to the aquatic macrophyte barrier found there, productivity is lower.

O comportamento hidrológico de grandes bacias envolve a integração da variabilidade espacial e temporal de um grande número de processos. No passado, o desenvolvimento de modelos matemáticos precipitação – vazão, para representar este comportamento de forma simplificada, permitiu dar resposta às questões básicas de engenharia. No entanto, estes modelos não permitiram avaliar os efeitos de modificações de uso do solo e a variabilidade da resposta em grandes bacias. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a validação de um modelo hidrológico distribuído utilizado para representar os processos de transformação de chuva em vazão em grandes bacias hidrográficas (maiores do que 10.000 km2). Uma grade regular de células de algumas dezenas ou centenas de km2 é utilizada pelo modelo para representar os processos de balanço de água no solo; evapotranspiração; escoamentos: superficial, sub-superficial e subterrâneo na célula; e o escoamento na rede de drenagem em toda a bacia hidrográfica. A variabilidade espacial é representada pela distribuição das características da bacia em células regulares ao longo de toda a bacia, e pela heterogeneidade das características no interior de cada célula. O modelo foi aplicado na bacia do rio Taquari Antas, no Rio Grande do Sul, na bacia do rio Taquari, no Mato Grosso do Sul, e na bacia do rio Uruguai, entre Rio Grande do Sul e Santa Catarina. O tamanho destas bacias variou entre, aproximadamente, 30.000 km2 e 75.000 km2. Os parâmetros do modelo foram calibrados de forma manual e automática, utilizando uma metodologia de calibração automática multi-objetivo baseada em um algoritmo genético. O modelo foi validado pela aplicação em períodos de verificação diferentes do período de calibração, em postos fluviométricos não considerados na calibração e pela aplicação em bacias próximas entre si, com características físicas semelhantes. Os resultados são bons, considerando a capacidade do modelo de reproduzir os hidrogramas observados, porém indicam que novas fontes de dados, como os fluxos de evapotranspiração para diferentes coberturas vegetais, serão necessários para a plena utilização do modelo na análise de mudanças de uso do solo.

As barragense os reservatórios são projetados considerando um risco de falha. As consequências de uma falha devem ser avaliadas, como parte do projeto de uma barragem e também para barragens já existentes, com o objetivo de diminuir os riscos a que está exposta a população. Este estudo buscou revisar aspectos relevantes do impacto do rompimento de uma barragem, avaliar as incertezas envolvidas quando se utilizam modelos matemáticos como ferramenta básica, e desenvolver a análise para o reservatório de Ernestina, no rio Jacuí, no Rio Grande do Sul. O modelo simplificado SMPDBK e o modelo hidrodinâmico DAMBRK, do National Weather Service (Serviço meteorológico), dos E.U.A., utilizados como metodologia básica, são descritos em todos os aspectos relevantes à simulação do rompimento de barragens. Os modelos SMPDBK e, mais profundamente, DAMIBRK foram comparados, testados e aplicados ao caso do rompimento hipotético da barragem de Ernestina. Foi realizada uma análise de sensibilidade dos resultados do modelo DAMBRK a diversos parâmetros e hipóteses de representação matemática. O rompimento hipotético da barragem de Ernestina foi analisado, desde a probabilidade do seu acontecimento, até a estimativa preliminar da população atingida e dos seus prquízos. O modelo SMPDBK apresentou resultados razoáveis frente ao modelo DAMBRK. Os resultados do modelo DAMBRK mostraram-se especialmente sensíveis ao tamanho máximo que a brecha atinge no seu desenvolvimentoe ao nível da água no interior do reservatório quando se inicia o rompimento. O tempo de formação da brecha e a rugosidade do leito do rio também se revelaram importantes. Os resultados preliminares mostraram que o rompimento hipotético de Ernestina deve atingir diretamente as residências de cerca de 800 habitantes. Aproximadamente 600 hectares de terra cultivada devem ser atingidos e pelo menos quatro pontes sobre o rio Jaçuí devem ser destruídas. As barragens de Passo Real e Maia Filho, bem como todo o sistema de geração de energia do rio Jacuí, não devem sofrer conseqüências. Dams and reservoirs are designed assuming a level of risk. Consequentes of the failure of a new dam must be taken into account as part of its design and, for existing dams, as a means to lower the risk it poses to the population. This work reviewed relevant aspects of dam break analysis, availed the uncertainty when using a mathematical modeling technique and developed a dam break analysis for the Ernestina dam, on Jacuí River, Rio Grande do Sul. The simplified mathematical modem SMPDBK and the hydrodynamic model DAMBRK, both from National Weather Service, U.S.A ., were used as the basic methodology, and are described in all aspects relevant to dam break analysis. Both models, especially DAMBRK, were compared, tested ad applied to the hypothetical ruptura of Ernestina dam. The sensitivity of DAMBRK to many parameters and mathematical representation analysis was analyzed. The hypothetical failure of Ernestina dam was analyzed, from the failure risk to a preliminary estimate of the endangered population. Results of the SMPDBK model were reasonable as compared to DAMBRK's. DAMBRK results showed great sensitivity to maximum breach width and initial reservoir water level. A little lower, but also important, was the sensitivity of DAMBRK to breach formation time interval and river boundary friction. According to the preliminary results, the hypothetical Ernestina dam failure will cause direct damages to the houses of 800 people. Near 600 hectares of agriculture land will be submerged and almost tour bridges will be destroyed. The downstream located dams, Passo Real and Maia Filho, and the whole Jacuí Generation System, will not be damaged.

A América do Sul (AS) possui uma área de ~17,8 milhões de km² e contribui com cerca de 30 % do volume total de água escoado para os oceanos. Gerenciar os recursos hídricos continentais na AS é uma tarefa desafiadora devido à heterogeneidade das características climáticas, suscetibilidade a cheias e secas, complexidade dos sistemas de rios e existência de usos múltiplos da água, em particular a produção de energia onde a hidroeletricidade corresponde por ~50 % da capacidade instalada na AS. Previsões de vazão, por exemplo, são essenciais para a operação de reservatórios e para melhorar a preparação contra eventos extremos, os quais podem ocorrer em múltiplas escalas espaciais e afetar extensas áreas inclusive para além de fronteiras políticas. Neste sentido, há necessidade de ferramentas que possibilitem quantificar fluxos hidrológicos com consistência espaço-temporal na AS, bem como prever a condição futura dos rios com estimativa de incerteza para dar suporte à tomada de decisão. O objetivo desta tese foi estabelecer uma base técnica para modelagem hidrológica com abrangência da América do Sul e dar contribuições para previsão de vazões em escala continental, no horizonte de médio prazo (até 15 dias). O modelo hidrológico MGB foi adaptado para simulação hidrológica–hidrodinâmica em múltiplas bacias sul americanas a partir de técnicas de geoprocessamento, produtos de sensoriamento remoto e outras bases de dados globais. O modelo desenvolvido, denominado MGB–SA, teve representação satisfatória de vazões em intervalo de tempo diário, apresentando acurácia superior à de modelos globais estado-da-arte. Também foram representados de forma adequada padrões de sazonalidade e magnitude de evapotranspiração e armazenamento terrestre de água nas principais bacias da AS, com desempenho razoável para os níveis simulados. Através de um experimento de previsão que assume o modelo hidrológico como livre de erros, foi identificado que previsões de chuva por conjunto (ensemble) com horizonte de médio prazo podem contribuir para a destreza das previsões de vazão com até 15 dias à frente. Na avaliação de desempenho geral das previsões de vazão, observou-se maior destreza para regiões situadas ao leste e sudeste da América do Sul, incluindo bacias como Uruguai, Alto Paraná, São Francisco, Parnaíba e Tocantins-Araguaia. Em relação à discriminação entre ocorrência e não ocorrência de eventos de vazão elevada, a destreza da previsão foi maior nos rios do sul do Brasil. Além disso, as previsões exibiram maior destreza para acurácia geral e discriminação em regiões de clima temperado e úmido (sub-tropical). Quando considerados ambos os erros do modelo hidrológico e da precipitação prevista, as previsões de vazão com horizonte de médio prazo demonstraram baixa ou nenhuma destreza na maioria das localidades analisadas além de um grande viés probabilístico, com a maior parte das observações situando-se fora dos limites do conjunto mesmo para antecedências mais longas após 1 semana à frente. Com aplicação de pós-processamento estatístico a destreza das previsões de vazão aumentou substancialmente, melhorando a consistência estatística e proporcionando largura de incerteza geralmente inferior ao da climatologia das vazões observadas. O desempenho de séries temporais de previsão por conjunto obtidas de distribuições preditivas pós-processadas também foi avaliado, demonstrando limitações principalmente em condições de baixo espalhamento do conjunto bruto. Por fim, os resultados deste trabalho sugerem que o modelo desenvolvido pode servir como uma ferramenta para dar suporte a pesquisas que contemplem os recursos hídricos da AS de forma integrada, e que previsões de vazão com destreza no horizonte de médio prazo podem ser obtidas na escala continental mesmo com dados in situ limitados. South America (SA) has an area of ~17.8 million km² and contributes around 30 % of the global runoff to the oceans. Managing the continental waters in SA is a challenge given the wide range of climatic characteristics, susceptibility to floods and droughts, complexity of river systems and existence of multiple water uses, in particular the energy production where hydropower accounts for ~50 % of the total installed capacity. Streamflow forecasts, for instance, are essential for reservoir operation and to improve preparedness against extreme hydrometeorological events, which can occur on multiple spatial scales and affect extensive regions including areas beyond the political boundaries. In this context, there is a need for tools that enable to quantify hydrological fluxes in SA with spatiotemporal consistency, as well as to predict future river conditions with uncertainty estimates to support decision making. The objective of this thesis was to establish a technical basis for hydrological modeling in the South America domain and contribute to medium-range (up to 15 days) streamflow forecasting at the continental scale. The MGB hydrological model was adapted for simulation of multiple South American basins by using hydrologic–hydrodynamic methods, geoprocessing techniques, remote sensing products and other global scale datasets. The developed model, named MGB–SA, showed a satisfactory representation of daily discharges and exhibited higher accuracy compared with state-of-the-art global models. Seasonality and magnitude of both evapotranspiration and terrestrial water storage were adequately represented at the scale of main SA basins, with a reasonable performance regarding the simulated water levels. Through a forecasting experiment that assumes the hydrological model as error-free, it was found that medium-range ensemble precipitation forecasts can contribute to the skill of streamflow forecasts up to 15 days ahead. Overall skill was higher in the eastern and southeastern SA regions, which include large basins such as Uruguay, Upper Paraná, São Francisco, Parnaíba and Tocantins-Araguaia. Skill in discrimination between the occurrence and non-occurrence of high flow events was mainly observed in rivers of southern Brazil. In addition, forecasts showed better skill in terms of overall quality and discrimination in warm temperate, fully humid regions. When the errors of both hydrological model and predicted precipitation were taken into account, medium-range streamflow forecasts exhibited low or no skill in most of the analyzed locations in addition to a large probabilistic bias, with most of the observations falling outside the ensemble limits even at longer lead times, after 1 week ahead. Statistical postprocessing substantially improved streamflow forecast skill, enhancing statistical consistency and generally providing lower uncertainty width compared with that of observed climatology. The performance of streamflow ensemble traces derived from postprocessed predictive distributions was also evaluated, showing limitations mainly in conditions for which the raw ensemble spread is low. Finally, the results of this work suggest that the developed model can be used to simulate the South American water resources in an integrated manner, and that skillful, medium-range streamflow forecasts could be obtained at the continental scale of SA even with limited in situ data.

A região semiárida do Brasil apresenta um regime de precipitação com alta variabilidade espacial e temporal, além de elevada evaporação potencial, o que limita a disponibilidade de água para as atividades econômicas. Uma solução historicamente adotada para este problema, tanto pelo Estado como por empreendedores individuais, foi a construção de reservatórios, estruturas capazes de transpor a disponibilidade hídrica no tempo, de um período chuvoso para um seco. No Nordeste brasileiro, o processo de construção de açudes se iniciou ainda no século XIX e hoje há mais de 105.000 barramentos apenas no estado do Ceará, com predominância dos de pequeno porte. Essa densa rede de reservatórios é de difícil gestão, pois pouco se sabe sobre as características de cada estrutura e sobre as interações e efeitos sobre a hidrologia local. Modelos hidrológicos surgem como uma solução para este problema, porém, em sua maioria, não são idealizados para incorporar estruturas antrópicas em seu escopo, a exemplo do Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH). Assim, este trabalho tem o objetivo de desenvolver um módulo de reservatórios para incorporação ao MGB-IPH visando à modelagem de bacias hidrográficas de grande escala considerando densas redes de pequenos reservatórios sobre as quais existe pouco ou nenhum dado. Para isso, foram desenvolvidas metodologias de análise e geração de dados sobre pequenos reservatórios distribuídos sobre a sub-bacia do Banabuiú, bacia adotada para estudo de caso. Primeiramente, foram investigadas as relações e a influência de diferentes formas de representação dos açudes dentro do modelo, variando-se a quantidade de açudes representados explicitamente (on-grid) e a quantidade utilizada para gerar os açudes equivalentes (aqueles em sub-grid) através da utilização de diferentes densidades de drenagem. Em relação ao reservatório equivalente, foi feita uma comparação entre a metodologia proposta da tabela incremental que considera as respectivas áreas de contribuição de cada açude, bem como as interações entre eles; com uma versão alternativa que considerava os reservatórios equivalentes no exutório de cada minibacia. Por fim, foram analisados diferentes cenários de interação entre pequenos e grandes reservatórios através de curvas de permanência de atendimento a demandas. A partir dos resultados obtidos, pode-se inferir que a utilização de maiores densidades de drenagem foi a abordagem mais adequada, apresentando os melhores resultados globais do coeficiente de Nash-Sutcliffe (NS) para a bacia. Por sua vez, na comparação entre os reservatórios equivalentes, a metodologia proposta apresentou-se a mais adequada, sendo capaz de melhorar globalmente os coeficientes do modelo. Quanto às curvas de permanência, observou-se que a presença dos pequenos reservatórios reduz a entrada de água nos reservatórios estratégicos, diminuindo a capacidade destes açudes de atender às demandas da bacia. Dessa forma, embora existam limitações quanto aos resultados apresentados, observa-se que houve um considerável avanço na modelagem desses tipos de bacias dentro do modelo MGB-IPH. The semi-arid region of Brazil presents a precipitation regime with high spatial and temporal variability, in addition to high potential evaporation ratings, which limits the availability of water for economic activities. A historical solution adopted to solve this problem, both by the State and by individual entrepreneurs, was the construction of reservoirs. These structures are capable of transferring water availability over time, from a wet period to a dry one. In the Brazilian Northeast, the process of construction of these dams date back to the 19th century and nowadays there are more than 105.000 dams in the state of Ceará alone, being the small ones predominant. This dense network of reservoirs is difficult to manage, as little is known about the characteristics of each structure and the interactions and effects on local hydrology. Hydrological models emerge as a solution to this problem. However, for the most part, they are not designed to incorporate anthropic structures in their scope, such as the Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH). Hence, the goal of this paper is to develop a reservoir module for incorporation into the MGB-IPH aiming at modeling large-scale hydrographic basins considering dense networks of small reservoirs on which little or no data exists. On this context, a methodology for analysis and data generation was developed and applied on the group of small reservoirs distributed over the Banabuiú sub-basin, adopted as a case study. Firstly, the relationships and influence of different forms of representation of the dams within the model were investigated, varying the amount of dams represented explicitly (on-grid) and the amount used to generate the equivalent dams (those in sub-grid). These analyses were made by using different drainage densities. In relation to the equivalent reservoir, an incremental table methodology was proposed, considering the respective areas of contribution of each dam, as well as the interactions between them. Then, a comparison was made between this methodology and an alternative version that considered equivalent reservoirs at the outlet of each mini-basin. Finally, different scenarios of interaction between small and large reservoirs were analyzed through demand permanence curves. From the results obtained, it can be inferred that the use of higher drainage densities was the most appropriate approach, presenting the best overall results of the Nash-Sutcliffe coefficient. In the comparison between equivalent reservoirs, the proposed methodology was the most adequate, being able to globally improve the coefficients of the model. As for the permanence curves, it was observed that the presence of small reservoirs reduces the entry of water into strategic reservoirs, reducing their capacity to supply the basin needs. Thus, although there are limitations regarding the results presented, it is observed that there has been a considerable advance in the modeling of these types of basins within the MGB-IPH model.

Os processos de tomada de decisão que envolvem recursos hídricos no Brasil vêm se baseando unicamente em análises do comportamento histórico de variáveis hidrológicas e climatológicas. Entretanto, isto pode levar a estratégias equivocadas relacionadas ao uso dos recursos naturais, pois o impacto das mudanças climáticas no comportamento das vazões futuras pode alterar consideravelmente a disponibilidade de recursos hídricos. Na presente pesquisa é proposta uma análise da variação das disponibilidades hídricas de bacias hidrográficas contidas na área de contribuição à Laguna dos Patos, Rio Grande do Sul, Brasil, que pode ser consequência das mudanças climáticas previstas por modelos globais do CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5), publicados no mais recente relatório do IPCC (International Panel on Climate Change). Dois períodos futuros de 30 anos foram simulados, de 2006 a 2035 e de 2051 a 2080, utilizando o modelo hidrológico MGB-IPH, considerando dois ctnários extremos de emissões de gases de efeito estufa e vinte modelos climáticos. Foi possível verificar uma tendência de aumento das vazões na bacia hidrográfica simulada, pois mais de 60% das simulações realizadas indicou algum percentual de aumento de vazões médias em todas as unidades de discretização modeladas. A análise dos resultados das simulações indicou que os dados dos modelos climáticos HadGEM2-ES e GFDL-CM3 utilizados como dados de entrada no modelo hidrológico são os que fornecem, respectivamente, limiares superiores e inferiores de vazão do conjunto de resultado simulados. A avaliação conjunta dos resultados gerados por estes dois modelos, associados ao cenário de altas emissões de gases de efeito estufa, é capaz de gerar cenários extremos de vazões que são projetados para o futuro considerando as mudanças climáticas na bacia hidrográfica da Laguna dos Patos. Já os resultados fornecidos pelos modelos bcc-csm1-1, BNU-ESM e CNRM-CM5 são similares à mediana do conjunto das simulações geradas por todos os modelos avaliados nesta pesquisa. Além disso, a região mais ao norte da área de estudo foi identificada como as que apresenta maior sensibilidade às mudanças climáticas projetadas pelos modelos globais do CMIP5. The decision-making processes involving water resources in Brazil have been based on the historical behavior of hydroclimatological variables. However, this may lead to inappropriate strategies related to the use of natural resources, since the impact of future climate may change the water resources availability. This research proposes an analysis of the water availability variation of hydrographic basins contained in the contribution area of Patos Lagoon, which can be a consequence of climatic changes predicted by climate models and scenarios of CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5), published in the latest International Panel on Climate Change (IPCC) report. Two 30-year future periods were simulated, from 2006 to 2035 and from 2051 to 2080, using the MGB-IPH hydrological model, considering two extreme scenarios of greenhouse gas emissions and twenty climate models. It was possible to verify a trend of increase of the flows in the simulated hydrographic basin, since more than 60% of the simulations performed indicated some percentage of increase of average flows in all the discretized modeling units. The analysis of the simulations results indicated that the data from climatic models HadGEM2-ES and GFDL-CM3 used as input data in the hydrological model are the ones that respectively provide upper and lower flow thresholds of the simulations’ ensemble. The joint evaluation of the results generated by these two models, associated to the scenario of high greenhouse gas emissions, is capable of covering extreme flow scenarios predicted for the future considering climate change in Patos Lagoon basin. The results provided by the models bcc-csm1-1, BNU-ESM and CNRM-CM5 are similar to the median of the set of simulations generated by all the models evaluated in this research. In addition, the northernmost region of the study area was identified as having the highest sensitivity to climate change projected by global models of CMIP5 published in AR5.

Cheias são hoje os processos naturais que mais impactam pessoas no mundo todo, causando mortes e prejuízos estimados em US$104 bilhões por ano. Os seus efeitos são cada vez mais importantes na medida em que a sociedade se desenvolve e se instala em locais passíveis de inundação. Para combater os danos das cheias os sistemas de previsão e de infraestrutura tem aumentado sua complexidade, criando assim demanda para metodologias relativamente complexas de modelagem hidrológica-hidrodinâmica que dependem por sua vez da caracterização adequada das bacias hidrográficas e dos rios. Em muitos casos a aquisição de características da calha dos rios é obtida através de relações geomorfológicas, que para vários casos não apresenta resultados satisfatórios. O presente estudo propõe uma técnica de obtenção de características da seção transversal de rios a partir da análise da relação entre a vazão (Q) e a celeridade (c) de ondas de cheia observadas em trechos de rios, apoiada pela estimativa de largura a partir de imagens de sensoriamento remoto. Esta se baseou na divisão da área superficial do rio pelo comprimento do mesmo. Para o desenvolvimento do primeiro produto (seção transversal) propõe-se a utilização do modelo inercial de propagação de vazões associado ao algoritmo de otimização SCE-UA para replicar as celeridades observadas alterando apenas os parâmetros da calha dos rios. Foram feitos estudos de caso para os rios Piquiri e Iguaçu, no estado do Paraná, Cuiabá no Mato Grosso, Miranda no Mato Grosso do Sul e Piracicaba em São Paulo. Nestes existem dados telemétricos de vazão que permitem extrair a curva cxQ empiricamente. Os resultados gerados mostraram que não apenas foi possível replicar o comportamento da curva cxQ característica nos locais onde ocorre inundação mas também retirar informações de profundidade, largura e coeficiente de manning muito próximos aos observados. Ainda, a largura obtida foi muito próxima àquela resultante da metodologia proposta para sua aproximação via sensoriamento remoto. Estes resultados só não foram observados para o trecho do rio Iguaçu, onde a relação cxQ não apresentou o comportamento de áreas alagadas, ou seja, a diminuição da celeridade a partir de uma vazão de extravasamento. Desta maneira este trabalho demonstrou que é possível a obtenção de um conjunto de parâmetros efetivos da calha de rios a partir apenas de dados de vazão para regiões alagáveis, além de apresentar uma metodologia simples e eficaz para obtenção da largura em qualquer rio. Flooding is the natural processe that impact most people in the world today, causing deaths and losses estimated at $ 104 billion a year. Its effects are increasingly important as the society develops and settles in flood-prone places. To combat flood damage, forecasting and infrastructure systems has increased its complexity, thus creating demand for relatively complex hydrological-hydrodynamic modeling methodologies which in turn depend on the proper characterization of river basins. In many cases, the acquisition of characteristics of river channels is obtained through geomorphological relations but for several cases it does not present satisfactory results. The present study proposes a technique to obtain characteristics of the cross section of rivers from the analysis of the relation between flow (Q) and the wave speed (c) observed in stretches of rivers, supported by the estimation of width from remote sensing images. For the development of the first product (cross-section) it is proposed the use of the inertial flow propagation model associated with the SCE-UA genetic algorithm to replicate observed velocities by changing only the river channel parameters. Case studies were carried out for the Piquiri and Iguaçu rivers in the state of Paraná, Cuiabá in Mato Grosso, Miranda in Mato Grosso do Sul and Piracicaba in São Paulo. In these, there were flow telemetry data that allowed to extract the cxQ curve. The results showed that not only was it possible to replicate the behavior of the characteristic cxQ curve in the places where flooding occurs, but also to extract information of depth, width and manning very close to those observed. Also, the width obtained was very close to the one obtained by the methodological proposal for its approach through remote sensing. This is based on the division of the surface area of the river by its length. These results were not observed for the stretch of the Iguaçu River, where the relation cxQ is not does not behave as in flooded areas, that is, there isn't a decrease of celerity from an extravasation flow. In this way, this work demonstrated that it would be possible to obtain a set of effective parameters of the river channel from flow data for floodable regions. In addition it presents a simple and effective methodology to obtain the width in any river.

A estimativa de valores de vazão de referência máximos, médios e mínimos em locais sem dados constitui um desafio constante nos estudos de hidrologia. Em muitos casos este desafio é enfrentado utilizando as técnicas tradicionais de regionalização de vazões com suas diversas variantes e técnicas. Em outros casos são adotadas as técnicas de modelagem hidrológica chuva-vazão. No presente trabalho é apresentada uma ampla revisão bibliográfica referente aos métodos que são utilizados a nível global em pós da obtenção de dados de vazões em locais sem monitoramento. A metodologia para estimativa de vazões em locais sem dados proposta aqui é baseada na modelagem hidrológica com um modelo chuva-vazão distribuído, combinada com uma técnica de assimilação de dados de vazão observados. São apresentados testes da metodologia utilizando o modelo MGB-IPH para todas as bacias contidas total ou parcialmente no estado do Rio Grande do Sul. Os resultados são avaliados através da comparação entre as vazões de referência obtidas pela metodologia proposta e as vazões de referência calculadas com base nos dados observados em postos fluviométricos que não são utilizados no processo de assimilação de dados e cujos locais são chamados de Pseudo Não Monitorados. As vazões de referência estimadas com base na metodologia proposta também são comparadas com os valores encontrados utilizando equações de regionalização de vazões desenvolvidas para a mesma região e um método simples de interpolação linear. A avaliação dos métodos foi realizada através da quantificação dos erros relativos médios resultantes dos 4 métodos, comparando Vazões Calculadas vs. Vazões Observadas em aqueles Locais Pseudo Não Monitorados. Em geral observa-se que a assimilação de dados contribui na melhora da estimativa das vazões de referência em locais sem dados quando comparados com os outros métodos testados a exceção do caso das vazões Q50 e Q10 onde a diminuição do ERM é mínima. Os resultados obtidos nesta pesquisa encorajam o avanço nas pesquisas dentro dessa linha seja aprimorando o próprio método testado aqui ou utilizando outras metodologias de assimilação no acoplamento ao modelo hidrológico MGB-IPH e outros. The estimate of maximum, average and minimum reference flow in places without observed data is a constant challenge in studies of hydrological engineering. In many cases this challenge is faced using traditional techniques of regionalization of flow with its various variants and techniques. In other cases, the techniques of hydrologicalrainfall–runoff modelling are adopted. In the present work a broad bibliographic review is presented referring to the methods that are used at global level in post of obtaining flow data in ungauged catchments. This research presents an empirical data assimilation method applied within the MGB-IPH model to minimize the errors in the estimation of streamflow, performed through hydrologic simulations in the Rio Grande do Sul State of Brazil. The results are evaluated by comparing of the reference flow rates obtained by the proposed methodology and reference streamflows calculated based on data observed at fluviometric stations, called Pseudo-Ungauged Locations, not used in data assimilation process. The reference streamflow estimated based on the proposed methodology are also compared with the values found using regionalization equations flows developed for the same region and a simplelinear interpolation method. The evaluation of the methods was carried out by quantifying the Average Relative Errors resulting from the three methods, comparing calculated flows vs. observed flows in those sites called Pseudo-Ungauged Locations. In general it is observed that data assimilation contributes to the improvement of the estimation of the reference flows in places with no data when compared with the other methods tested, except for the case of the flows Q50 and Q10 where the decrease of ERM is minimal. The results obtained in this research encourage the advancement of research within this line either by improving the method used here or by using other assimilation methodologies in the MGB-IPH or other hydrological model.

Neste estudo, trata-se de avaliar fontes de precipitação baseadas em estimativas por satélite e técnicas de assimilação de dados para previsão de vazões por meio do modelo hidrológico distribuído MGB-IPH. A insuficiente representatividade espacial dos pluviômetros torna difícil a correta representação dos campos de precipitações. Por outro lado, as estimativas de satélite, embora forneçam uma descrição espacial mais consistente, são potencialmente menos acuradas. Sendo assim, procura-se utilizar métodos que combinem os dados de ambas as fontes para gerar um campo de precipitação mais consistente. Neste trabalho, implementaramse dois modelos de combinação pluviômetro-satélite, CHUVSAT e MERGEHQ, através de uma metodologia de interpolação. Por outro lado, as técnicas de assimilação de dados acoplados aos modelos de previsão hidrológica são também de interesse neste estudo, pois minimizam as incertezas associadas ao processo de calibração de parâmetros, às variáveis de estado e dados de entrada do modelo hidrológico. Para esse propósito, escolheu-se a bacia do rio Tocantins e implementou-se particularmente a técnica de assimilação de dados de tipo sequencial chamado na literatura de filtro de partículas, conjuntamente com o método de filtro Kalman por conjunto e o método de assimilação AsMGB atualmente acoplado ao modelo MGB-IPH. O estudo mostra que a precipitação combinada utilizada como dado de entrada na simulação hidrológica permitiu reproduzir adequadamente os hidrogramas observados para o período de calibração e validação. Já para o caso das vazões resultantes, durante a etapa de previsão, a precipitação combinada mostrou-se com melhor desempenho em termos estatísticos que os métodos sem combinar, sobretudo após 24 horas de antecedência. Finalmente, a técnica de assimilação de dados por filtro de partículas conseguiu absorver os erros da simulação melhorando as medidas de desempenho na etapa de previsão sendo superior ao modelo de previsão sem considerar assimilação. The objective of this study is to evaluate precipitation sources based on satellite estimates and data assimilation techniques for prediction of flows by means of the distributed hydrological model MGB-IPH. The insufficient spatial availability of rain gauges makes difficult to represent precipitation fields appropriately. In contrast, satellite estimates, although providing a more consistent spatial description, are potentially less accurate. Thus, raingauge satellite merging methods that combine data from both sources to generate a more consistent precipitation field are used herein. For this purpose, two models namely CHUVSAT and MERGEHQ were implemented using an interpolation technique. On the other hand, data assimilation techniques coupled with hydrological forecasting models are also assessed in this study. The assimilation process minimizes the uncertainties associated with the parameter calibration procedure, variable state and hydrological input data. In this manner, the sequential data assimilation technique namely particle filter in conjunction with the Kalman filter method and the assimilation method AsMGB, which is currently coupled to the MGBIPH model, were implemented and applied to the Tocantis basin. The obtained results showed that the combined precipitation used as input data in the hydrological simulation allowed reproducing adequately the observed hydrograms for the periods of calibration and validation. In the case of the resulting flows during the forecast stage, the merging precipitation was shown to perform better in statistical terms than the uncombined methods, especially after 24 hours in advance. Finally, the data assimilation technique by particle filter was able to absorb all simulation errors, improving the performance measures in the forecasting stage, thus being superior to the forecasting model without considering assimilation.

Grandes áreas inundáveis prestam importantes serviços ambientais, como manutenção da biodiversidade e regulação de clima, cheias e ciclos biogeoquímicos, e estão presentes nas mais variadas regiões geográficas, desde úmidas áreas tropicais como a Amazônia, até locais áridos como os grandes deltas internos da África. Complexos processos hidrológicos e hidrodinâmicos ocorrem nestas áreas, onde existe intensa interação entre áreas inundadas, biosfera e atmosfera, e onde ocorrem alterações significativas das ondas de cheia que são por elas propagadas sazonalmente. Neste contexto, o presente trabalho apresenta, através de dois métodos distintos, formas com que podemos aprofundar nosso conhecimento da dinâmica destas grandes áreas inundáveis. Inicialmente, é abordado o efeito causado pela interação rio-planície de inundação na forma dos hidrogramas. Constatou-se, através de observação de diversos hidrogramas defluentes de grandes sistemas inundáveis, que a ascensão destes é tipicamente mais lenta que a recessão, caracterizando uma assimetria negativa. Então, a partir de uma série de abordagens numéricas, analíticas e empíricas, mostrou-se que a este fenômeno é decorrente da inversa relação entre velocidade da onda de cheia (celeridade) e vazão que ocorre nestes ambientes devido ao armazenamento nas planícies. Um estudo de caso com os principais rios da Amazônica evidenciou a relevância da avaliação de assimetria de hidrogramas para compreensão da dinâmica hidrológica em regiões inundáveis. A segunda etapa deste trabalho consistiu no aprimoramento e validação de um modelo acoplado hidrológico-hidrodinâmico distribuído para simulação de bacias com grandes áreas inundáveis, capaz de modelar matematicamente a dinâmica existente e a aumentar nossa capacidade preditiva da inundação destas regiões. Foi realizada uma aplicação na bacia do Alto Rio Níger, no Oeste da África, onde está localizado o Delta Interno do Níger, uma vasta planície no Deserto do Sahel inundada sazonalmente, e onde importantes perdas por evaporação ocorrem. O modelo desenvolvido representou de forma satisfatória vazões, níveis e áreas inundadas ao longo da região, permitindo a identificação de processos relevantes na inundação do Delta. O acoplamento entre uma representação explícita da hidrodinâmica dos canais da planície (armazenamento, bifurcações, remanso) e o balanço vertical hidrológico (infiltração de água da planície para o solo e evapotranspiração) mostrou-se necessário para o satisfatório resultado do modelo. Assim, com esta pesquisa, acredita-se que novos elementos foram contribuídos para a compreensão da hidrologia de grandes áreas inundáveis, a partir da identificação do importante efeito da interação rio-planície na assimetria de hidrogramas, e do desenvolvimento de técnicas de modelagem matemática que evidenciaram a relevância da representação de interações entre hidrologia e hidrodinâmica em modelos de grandes escala. Large floodable areas provide important environment services, such as biodiversity maintenance and regulation of climate, floods and biogeochemical cycles, and are present throughout different geographical settings, from tropical, wet areas like the Amazon, to arid ones such as the large African Inner deltas. Complex hydrologic and hydrodynamic processes occur in these areas, such as an intense interaction between flooded areas, biosphere and atmosphere, and alterations of flood waves that propagate through it. In this context, this study presents, through two distinct methods, ways with which we can deepen our understanding of the dynamics of such floodable areas. Firstly, the effect of river-floodplain interaction on hydrograph shape is addressed. It was noted, by observing a series of hydrographs routed through floodable systems, that hydrograph ascension is typically slower than the recession, characterizing a negative skewness. Then, through a series of numerical, analytical and empirical approaches, it was shown that this phenomenon exists due to the inverse relationship between flood wave speed (celerity) and discharge that occurs in these environments because of floodplain storage. A case study in main Amazon Basin tributaries was performed and indicated the relevance of hydrograph skewness evaluation for comprehension of hydrological dynamics in floodable areas. The study second step consisted in the development and validation of a distributed, coupled hydrologic-hydrodynamic model for simulation of basins with large floodable areas, able to mathematically model and to improve our prediction capacity of flooding in these areas. An application was performed in Upper Niger River, West Africa, where the Niger Inland Delta is located, which is a vast floodplain in the Sahel Desert that is seasonally flooded, and where important evaporation losses occur. The developed model satisfactorily represented discharges, levels and flooded areas across the basin, allowing the identification of relevant flooding processes in the Delta. The coupling between explicit representation of floodplain channel hydrodynamics (storage, bifurcations, backwater) and vertical hydrological balance (floodplain water infiltration into soil column, and evapotranspiration) proved a necessary model structure for the satisfactorily obtained results. Finally, with this research, we understand that new elements were contributed to the comprehension of hydrology of large floodable areas, from the identification of the river-floodplain interaction effects on hydrograph skewness to the development and application of mathematical modelling techniques, showing the relevance of the interaction between hydrology and hydrodynamic in such areas.

A bacia hidrográfica do rio da Prata (BHP) é a quinta maior bacia hidrográfica do mundo em termos de área de drenagem e a segunda maior da América do Sul. Os recursos hídricos da bacia têm um papel fundamental em termos de economia, produção de energia hidrelétrica, navegação, agropecuária dos países que a compõe e está fortemente relacionado com problemas relacionados à eventos extremos. Apesar da importância hidrológica da BHP para a América do Sul, poucas pesquisas estudaram o seu comportamento hidrológico de forma integrada e utilizando representações mais físicas dos processos hidrológicos. Essas pesquisas, por exemplo, possuem limitações relacionadas a representação do processo de propagação de vazão, escoamento na planície de inundação do modelo hidrológico utilizado e ao fato de não considerar o efeito da operação dos reservatórios, que é um aspecto importante na hidrologia da BHP. Diante disso, o objetivo dessa tese foi desenvolver bases técnicas para a modelagem hidrológica integrada da bacia do rio da Prata, e mais especificamente, o aperfeiçoamento de um modelo hidrológico para esta bacia que possa servir como ferramenta comum para o apoio à gestão integrada de recursos hídricos. Nesse contexto, foi utilizado o Modelo Hidrológico de Grandes Bacias, MGB-IPH, com um aperfeiçoamento do modulo de propagação de vazões, que corresponde a utilização do modelo Inercial e a representação da planície de inundação. Além disso, a tese também apresentou um avanço nas técnicas de discretização da bacia hidrográfica em unidades menores, visando a possibilidade de representação de regiões muito planas e com drenagem complexa. Essa tese também apresentou uma análise acerca do impacto da operação dos reservatórios do Alto Paraná em algumas vazões de referência do baixo rio Paraná. Os resultados da tese foram divididos em cinco partes: Calibração e verificação; efeito do modelo de propagação utilizado nas vazões; verificação das áreas inundadas; Avaliação do impacto dos reservatórios nas vazões do Baixo Paraná; análise de sensibilidade. Os resultados dessa Tese mostraram que é possível, através de uma modelagem integrada, utilizando a versão aperfeiçoada do modelo MGB-IPH, representar os processos hidrológicos da Bacia do Prata. Apesar das incertezas apresentadas, o modelo conseguiu representar vazões, níveis e áreas inundadas de forma satisfatória na maioria dos pontos analisados. Os resultados da tese também mostraram que o impacto da operação dos reservatórios pode ser significativo, principalmente nas vazões extremas. The La Plata River Basin (LPB) is the fifth largest basin in the world and the second one largest in South America in terms of drainage area. The water resources of LPB have an important role for the economy, hydroelectric power, navigation, agriculture of the countries that compose the basin and they are strongly related with hydrologic extreme events. Despite the importance of LPB’s hydrology to South America, there are few researches that have studied the hydrologic behavior in an integrated manner and using more physical representations of hydrologic processes. These researches have limitations related to representation of the flow propagation processes, floodplain representation and no consideration of the effect of reservoir operation, which is an important aspect of LPB. Thus, the aim of this research was developing technical basis for the integrated hydrologic modeling of the LPB improving a hydrologic and hydraulic model for this basin. This model can be useful as common tool to support the integrated management of LPB’s water resources. We used the Large Scale Hydrologic Model, MGB-IPH, with an improvement of the flow propagation module, that include the use of Inertial flow propagation model and a simplified scheme to floodplain representation. Moreover, the research also introduced an advance in techniques of river basin discretization into smaller units, aiming at the possibility of representation of very flat regions with complex drainage. This research also presented an analysis of the impact of reservoirs’ operation of Alto Paraná river basin. The results were divided into five parts: calibration and verification; effect of flow propagation model; check the flooded areas; Impact of reservoirs in the Lower Paraná flows and sensitivity analysis. The results showed that it is possible through an integrated modeling, using the improved version of the MGB-IPH model, represent the hydrological processes of the Plata Basin. Despite the uncertainties presented, the model could represent flows, flooded areas and levels satisfactorily in most analyzed points. The results also showed that the impact of the reservoirs operation can be significant, especially in extreme flows.

Mudanças climáticas podem afetar a distribuição espacial e temporal das variáveis hidrológicas, tendo como consequências alterações nos regimes de precipitação e vazão dos rios. Aumentos ou reduções no volume de escoamento de uma bacia hidrográfica podem, por exemplo, produzir danos aos ecossistemas, afetar a produção de alimentos, abastecimento de água, navegação e geração de energia. Atualmente buscam-se relações que permitam entender os processos de mudanças climáticas a fim avaliar os impactos e mitigá-los, assim como avaliar as incertezas inerentes ao processo de modelagem hidrológica de tais mudanças. Neste contexto este trabalho apresenta uma metodologia de quantificação e análise de incertezas para estudos de mudanças climáticas, tomando como estudo de caso a bacia hidrográfica do Rio Uruguai (BHRU) com área aproximada de 110,000 Km². Para tanto três fontes de incerteza foram analisadas e comparadas: o modelo hidrológico, técnicas de remoção de viés e modelos climáticos. O modelo hidrológico MGB-IPH foi avaliado quanto ao processo de parametrização, utilizando diferentes períodos de simulação para calibração: (i) Período de calibração 1 – MGB/P1: representando a série completa de observações de 1960-1990 com verificação no período de 1992-1999; (ii) Período de calibração 2 - MGB/P2: calibração em período seco e verificação de período de cheias (iii) Período de calibração 3 – MGB/P3: calibração em período característico de cheias e verificação de período de estiagem. Três diferentes técnicas de remoção de viés foram aplicadas para analisar o grau de incerteza que a escolha de um determinado método de correção pode agregar ao resultado final: (i) RV1 - Técnica de Mapeamento Quantil-Quantil; (ii) RV2 - Técnica de Escalonamento Linear e (iii) RV3 - Técnica Delta change. Os modelos climáticos globais (GMC’s) foram analisados quanto a sua estrutura, comparando projeções de cinco diferentes modelos: MPEH5 (ECHAM5/MPIOM), GFCM21 (GFDL-CM2.1), MRCGCM (MRI-CGCM2.3.2), HADCM3 (UKMO-HadCM3) e NCCCSM (CCSM3). Adicionalmente, também foram analisadas as projeções climáticas de cinco diferentes versões do modelo climático regional (RCM) ETA/CPTEC: CT20, CT40, LOW, MID e HIGH. Inicialmente os resultados das simulações provenientes de cada uma destas fontes foram comparados de maneira isolada e em seguida de maneira combinada. Portanto, a metodologia foi dividida em Etapa (1) e Etapa (2). A Etapa (1) teve por objetivo responder a seguinte pergunta: Qual dentre as fontes de incerteza selecionadas agrega maior variação ao resultado final? Ou seja, qual destas fontes propaga maior incerteza em termos de impactos de mudanças climáticas na BHRU? Os resultados obtidos por cada uma das fontes de incerteza foram comparados em termos de anomalias de vazões médias de longo período (QMLP), máximas e mínimas anuais. Na Etapa (2) foi realizada a análise total de incerteza, ou seja, a análise combinada dos resultados obtidos na Etapa (1). As anomalias de vazões foram apresentadas utilizando as curvas de distribuição acumulada (CDF’s) e a incerteza total expressa pela diferença entre os percentis 5% e 95%. Considerando os resultados obtidos para as vazões médias de longo período (QMLP), as fontes podem ser ordenadas de forma decrescente, em relção ao grau de incerteza que propagam: modelos climáticos globais > modelos climáticos regionais > técnicas de remoção de viés > modelo hidrológico. Para as vazões extremas os RCM’s apresentam as maiores variações de anomalias se comparadas às dos modelos hidrológicos e técnicas de remoção de viés, inclusive para ambos os extremos, máximos e mínimos. Esta variação se dá principalmente, pelos resultados de LOW e MID. Estas informações podem ajudar os gestores e tomadores de decisão no adequado gerenciamento e planejamento dos recursos hídricos sob condições de mudanças climáticas, assim como o entendimento da incerteza associada. Climate change can affect the spatial and temporal distribution of hydrological variables, with the consequences of changes in precipitation regimes and river flows. Increase or decrease the flow of rivers, for example, can cause damage to ecosystems, affecting food production, water supply, navigation and power generation. Currently seeking to relationships that allow understand climate change processes in order to assess the impacts and mitigate them, and assess the uncertainties inherent in hydrologic modeling process of such climate change. This thesis aimed at the development of a methodology for quantification and analysis of uncertainties for climate change studies in hydrology , taking as a case study the basin of the Uruguay River (BHRU) with a drainage area near 110,000 km². For that three sources of uncertainty were analyzed and compared: the hydrologic model, bias removal techniques and climate models. The hydrological model MGB-IPH was evaluated for parameterization, using different simulation periods for calibration: (i) MGB /P1: full range with calibration period (1960-1990) and validate (1992-1999); (ii) MGB / P2: calibrated in the period of dry and validated in the flood season (iii) MGB/P3: calibrated in the period of floods and validated in the dry season. Three different bias correction methods were applied to analyze the degree of uncertainty that the choice of a particular method of correction can add to the final result: (i) RV1 - Quantil-Quantil Mapping; (ii) RV2 - Linear Scaling, and (iii) RV3 - Delta Change Technique. Global climate models (GMC's) were analyzed for their structure, comparing projections of five different models: MPEH5 (ECHAM5/MPI-OM), GFCM21 (GFDLCM2.1), MRCGCM (MRI-CGCM2.3.2), HADCM3 (UKMO-HadCM3) e NCCCSM (CCSM3). Additionaly, climate projections from five different versions of the regional climate model (RCM) ETA / CPTEC were also analyzed: CT20, CT40, LOW, MID e HIGH. Initially the simulation results from each of the sources of uncertainty were compared individually (single propagation) and then in a combined way (multi propagation). Therefore, the methodology was divided in Step (1) and Step (2). Step (1) aimed to answer: Which of the selected sources of uncertainty adds more variation to the final result? Which of these sources propagates greater uncertainty in terms of impacts of climate change on BHRU? The results for each of the sources of uncertainty were compared in terms of long-term mean flow (QMLP), maximum and minimum annual flow. In Step (2) total uncertainty analysis was performed, therefore the combined analysis of the results obtained in Step (1). The anomalies in discharge were presented using the cumulative distribution function (CDF's) and the total uncertainty expressed by the difference between the percentiles 5% and 95%. Throughout the application of the proposed methodology it was concluded that: (i) for the extremes (maximum and minimum) annual discharges the largest source of uncertainty are the projections of the RCM's, followed by the the bias removal technique and finally the hydrological model; (ii) for the QMLP the largest source of uncertainty are followed global climate models, then the regional climate models. This information can help managers and decision makers in the proper management and planning of water resources under climate change conditions, as well as the understanding of the associated uncertainty.

O tempo que a água fica retida nos rios e planícies de inundação afeta diretamente os processos biogeoquímicos e ecológicos relacionados com os ciclos hidrológicos. Apesar de existirem métodos simplificados e sofisticados para estimar o tempo de viagem e o tempo de residência, a análise de grandes sistemas hidrológicos (e.g. maior do que 104 km2) e de sua variabilidade no tempo e no espaço ainda é um desafio. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo numérico de rastreamento de águas, numa abordagem probabilística, capaz de fornecer informações associadas à origem, trajetória e dinâmica das escalas de tempo de renovação de água superficial, com enfoque em bacia hidrográficas. Experimentos numéricos foram utilizados para estudar a dinâmica do escoamento de água na bacia Amazônica, com ênfase nas interações e trocas de água entre rio e planícies de inundação. Devido à importância e magnitude dessa bacia, a presença de grandes áreas inundáveis (17% da bacia) e águas de características distintas associadas a sua origem (i.e. águas brancas, claras e negras), a bacia Amazônica configura um estudo de caso interessante para simulações baseadas em rastreamento. Os resultados demonstraram que a planície de inundação tem um efeito de armazenamento importante para a dinâmica da bacia. As simulações sugerem que: (i) o tempo de viagem da água no canal principal, em sua maioria, é menor do que 70 dias; (ii) cerca de 20% das águas da bacia passam pela planície de inundação; (iii) a vazão de troca entre rio e planície de inundação pode chegar a ordem de 105 m3/s, para a bacia inteira; (iv) se as planícies de inundação atuam como áreas de armazenamento durante a cheia, elas podem acarretar um aumento substancial no tempo de viagem das águas (i.e. maior do que 200 dias); (v) e, nesse caso, águas retidas na planície de inundação podem representar uma grande parcela do escoamento da bacia durante o período de águas baixas. Por fim, outros aspectos sobre a variabilidade espacial e temporal do tempo de viagem das águas superficiais e da composição da água, em relação a sua origem, foram estudados. The time that water is retained in rivers and floodplains directly affects the biogeochemical and ecological processes associated to the hydrological cycles. Although there are both simplified and sophisticated methods to estimate travel time and residence time, the analysis of large hydrological systems (e.g. larger than 104 km2) and their variability in time and space is still a challenge. In this work, we developed a numerical model for water-packet tracking, with a probabilistic approach, capable to provide information associated to the origin, trajectory and dynamics of the surface water renewal time scales, focusing application to watersheds. Numerical experiments were used to study the dynamics of water flow in the Amazon basin, with emphasis on interaction and water exchanges between river and floodplains. Due to the importance and magnitude of this basin, the presence of large floodable areas (17% of the basin) and waters of distinct characteristics associated with its origin (e.g. white waters, clear waters and black waters), the Amazon basin constitutes an interesting case study for simulations Based on tracking. The results showed that the floodplain has an important storage effect for the dynamics of the basin. The simulations suggest that: (i) the travel time of the water in the main channel is less than 70 days; (ii) about 20% of the waters of the basin pass through the floodplain; (iii) the flow between river and floodplain can reach the order of 105 m3/s at basin scale; (iv) if the floodplains act as storage areas during the flooding period, they could increase substantially the travel time of the basin waters (i.e. larger than 200 days); (v) also, in this case, water retained in the floodplains could represent a large portion of the river discharges during the low water period. In addition, other aspects on the spatial and temporal variability of the travel time and composition of surface waters were also explored.

Fundação de Amparo a Pesquisa no Estado do Rio Grande do Sul The sediment yield causes a number of problems, and among them stands out silting of rivers and reservoirs, and contamination of surface water. Sediments result from the processes of erosion, transport, storage and compression. They depend on the physical characteristics of the watershed, as well as soil use and land cover. To study the sediment yield of a river is important to estimate the amount and origin of the sediments transported and deposited in a watershed. Therefore, it is possible to obtain knowledge about the unit of study, which leads to better planning and use of water resources. From liquid and solid discharge measurements in a river section, and conducting a sedimentometrical balance in Vacacaí Mirim reservoir, located at Santa Maria, Rio Grande do Sul, Brazil, the objective of this research is to characterize the sediment yield of a small watershed. The methodology was based on two stages: the first one was about the sedimentometrical characterization of the study area, and it was carried out between January and November of 2014, with the continuous monitoring of flow and sediments in fluviossedimentometrical station João Goulart, whose laboratory samples were also characterized and had their sediment concentration determined; the second stage was about the execution of sedimentometrical balance in the reservoir with the help of HEC-HMS 4.0 modeling program. Sediment entries, storage and output were checked in Vacacaí Mirim reservoir, which influences the study area. The results for the hydrossedimentometrical monitoring were satisfactory, getting a key curve with determination coefficient of 0.96; sedimentometrical curves ranged from 0.93 to 0.98; concentration ratio between suspended sediment and turbidity was 0.84, being considered acceptable; particle size characteristics were predominantly silt, for suspended material, and sand, for dragged material. Balance calibration for sedimentometrical hydrologic model gave a Nasch-Sutcliffe between 0.13 to 0.53 and 0.44 in validation; about reservoir sediments balance, it was noted and therefore considered that all sediment that enters the reservoir is retained and more sediment is produced downstream thereof mouth of the river it reaches the watershed. A produção de sedimentos ocasiona uma série de problemas, entre eles destacam-se assoreamento dos rios e reservatórios e contaminação das águas superficiais. Os sedimentos são resultado dos processos de erosão, transporte, depósito e compactação. Dependem das características físicas da bacia hidrográfica e do uso e ocupação do solo. Estudar a produção de sedimentos em um rio é importante para estimar a quantidade e a origem dos sedimentos transportados e depositados em uma bacia hidrográfica, podendo assim, obter conhecimento da unidade de estudo e realizar um melhor planejamento e aproveitamento dos recursos hídricos. O objetivo desta pesquisa é de caracterizar a produção de sedimentos de uma pequena bacia hidrográfica, a partir de medições de descarga líquida e sólida na seção do rio e realizar um balanço sedimentométrico no reservatório do Vacacaí Mirim no município de Santa Maria. A metodologia se baseou em duas etapas: primeira etapa foi à realização da caracterização sedimentométrica da área de estudo com o monitoramento contínuo das vazões e sedimentos na estação fluviossedimentométrica João Goulart no período de janeiro a novembro de 2014 e na determinação da concentração de sedimentos e caracterização das amostras em laboratório; a segunda etapa foi à realização do balanço sedimentométrico no reservatório com o auxílio do programa de modelagem HEC-HMS 4.0 onde foram verificados as entradas, armazenamento e saída de sedimentos no reservatório Vacacaí Mirim que influencia a área de estudo. Os resultados obtidos para o monitoramento hidrossedimentométrico foram satisfatórios, obtendo uma curva-chave com coeficiente de determinação de 0,96; as curvas sedimentométricas variando de 0,93 a 0,98; a relação da concentração de sedimentos em suspensão e a turbidez foi de 0,84 sendo consideradas aceitáveis; as características granulométricas do material em suspensão foi predominante o silte e para o material em arraste foi à areia. Para o balanço sedimentométrico a calibração hidrológica do modelo obteve-se um Nasch-Sutcliffe entre 0,13 a 0,53 e na validação de 0,44; as considerações observadas no balanço de sedimentos no reservatório foram que todo o sedimento que entra fica retido no reservatório e é produzido mais sedimentos a jusante do mesmo que chega até o exutório da bacia.

A previsão hidrológica possibilita a identificação antecipada de eventos de cheia potencialmente causadores de inundação, o que é de grande importância para a atuação de entidades como a Defesa Civil. Quando se deseja estender a antecedência no tempo em relação a estes eventos, principalmente nos casos onde a bacia de interesse é relativamente rápida, torna-se necessária a incorporação de previsões quantitativas de precipitação (QPF) na modelagem hidrológica, as quais podem ser obtidas a partir de modelos numéricos de previsão do tempo. Entretanto, a falta de acurácia atribuída a estas previsões de chuva, dadas de forma determinística, vem promovendo sua substituição por sistemas de previsão meteorológica por conjunto (EPS - Ensemble Prediction Systems), cuja finalidade é a geração de possíveis estados futuros da atmosfera para considerar as incertezas associadas ao seu estado inicial e às deficiências na representação física dos modelos de previsão do tempo. Neste contexto, o presente estudo teve por objetivo avaliar uma metodologia de previsão de cheias por conjunto na bacia do Taquari-Antas/RS até a cidade de Encantado (19.000 km²), localizada na região Sul do Brasil. Para tanto, foi utilizado o modelo hidrológico MGB-IPH acoplado a diferentes sistemas de previsão, sendo eles: (i) EPS Regional ETA, de curto prazo (até 72 horas) com 5 membros de diferentes parametrizações; (ii) EPS Global ECMWF de médio prazo (até 10 dias) com 50 membros de condições iniciais perturbadas, incluindo perturbação estocástica nos parâmetros de ajuste do modelo e; (iii) Previsão Determinística do Modelo Regional ETA (até 7 dias). A avaliação das previsões consistiu em dois hindcastings distintos, envolvendo uma análise visual de eventos singulares ocorridos em 06/06/2014 e 21/07/2011 além de uma análise estatística no período de Mar/2014 - Nov/2014. Durante a análise visual foi possível identificar, a partir de antecedências de 5 a 6 dias, uma persistência na previsão dada pelo crescente número de membros do conjunto de médio prazo (ECMWF) com superação dos limiares de referência, na medida em que se aproximavam os eventos de cheia. Apesar da grande incerteza na magnitude das previsões hidrológicas para o conjunto de curto prazo, a vazão máxima foi relativamente bem prevista por pelo menos 1 membro em quase todas as antecedências, enquanto que a previsão do timing dos eventos foi considerada de boa confiabilidade. Durante a avaliação estatística foi possível notar uma falta de espalhamento nos conjuntos, com tendência de subestimativa de acordo com o aumento da antecedência. Em uma comparação com previsões determinísticas, as previsões por conjunto demonstraram maior acurácia principalmente até 72 horas de antecedência, com destaque para a maior probabilidade de detecção dos limiares de referência e manutenção de falso alarme a níveis reduzidos. Além disso, verificou-se também que a agregação de previsões efetuadas em tempo anterior naquelas atuais acarreta em ligeira ampliação do espalhamento do conjunto e maiores probabilidades de detecção dos limiares de alerta para os membros mais elevados, apesar da redução no desempenho em termos de acurácia e viés. De forma geral, as previsões por conjunto apresentam potencial para servir como uma informação complementar em sistemas de alerta contra cheias, possibilitando uma melhor preparação dos agentes envolvidos durante a ocorrência destes eventos. Hydrological forecasting plays an important role for issuing flood warnings, allowing for anticipation and better preparation of authorities at the occurrence of such events. In order to extend lead time in a flood forecast, especially when the catchment response time is relatively fast, it may be useful to couple a hydrological model to quantitative precipitation forecasts (QPF), usually obtained directly from numerical weather prediction (NWP). However, deterministic (i.e. single) QPF are usually referred to many errors and lack of accuracy, mainly caused by uncertainties on initial state of the atmosphere and on physical representation of weather forecasting models. To address these shortcomings, it becomes necessary to take into account the uncertainties associated to rain forecasts, which can be represented by Ensemble Prediction Systems (EPS). The purpose of such systems is to provide different trajectories of the atmosphere by perturbations on its initial condition and on parameterization schemes of the models, generating an ensemble of forecasts that can be used as input to hydrological modelling (HEPS). In this context, the present study aimed to assess a methodology of ensemble flood forecasting on Taquari-Antas basin up to the city of Encantado/RS (19.000 km²), located in southern Brazil. Therefore, the hydrological model MGB-IPH was coupled to different forecasting systems: (i) Short Range EPS ETA (up to 72 hours), a regional model with 5 members of different parameterization schemes; (ii) Medium Range EPS ECMWF (up to 10 days), a global model with 50 members of perturbed initial conditions and stochastic perturbation in the model parameters; (iii) Deterministic ETA Model (up to 7 days). The forecasts were evaluated by two different hindcastings, which includes a visual assessment of singular events occurred on 2011 and 2014 and a statistical analysis for the period between Mar/2014 and Nov/2014. It was possible to identify a forecast persistence on medium-range for the selected events, by the increasing number of members exceeding the reference thresholds from lead times up to 5 - 6 days. On the short range, although large uncertainties in the magnitude of hydrological forecasts were found, the peak discharge was well forecasted - at least for a single member - in nearly all lead times, whereas the prediction of the peak timing was considered reliable. Regarding to statistical evaluation, an inadequate spread in the ensemble was observed from short- to medium-range, with a tendency of underestimation for longer lead times. In a comparison with deterministic forecasts, the ensemble forecasts showed higher accuracy especially up to 72 hours in advance, including highlights on greater probability of detection (POD) above the reference thresholds even with low false alarm rates. It also was found that the a combination of previous forecasts on the recent ones leads to a slight increase of ensemble spread and POD for higher members, despite the performance reduction in terms of accuracy and bias. In summary, the hydrological ensemble forecasts demonstrated a good potential to serve as an additional information within a Flood Alert System.

Foi desenvolvida uma ferramenta para simular a geração, o transporte e a redistribuição de sedimentos em bacias de grande escala, através da integração de uma metodologia simplificada para estimativa da distribuição espacial e temporal da perda de solo na bacia com uma metodologia de transporte de sedimentos em rios com planícies de inundação, e com o modelo hidrológico distribuído MGB-IPH. O MGB-IPH é um modelo hidrológico distribuído de grandes escalas, baseado em processos, que adota uma discretização da bacia em minibacias e o conceito de Unidades de Respostas Hidrológicas (URH). O modelo usa equações de base física para simular os processos hidrológicos, como o modelo de evapotranspiração de Pennan Monteith, e utiliza a abordagem de Muskingum-Cunge e um modelo hidrodinâmico 1D para propagar as vazões nos rios, incluindo efeitos de remanso e inundações sazonais. A integração considera a possibilidade de aplicação em bacias com escassez de dados e o uso de utilização de Sistemas de Informações Geográficas e dados espacializados. Buscou-se representar a dinâmica dos sedimentos em grandes bacias, tendo como estudo de caso a bacia do rio Madeira, caracterizada pela sua grande extensão territorial (~1,4.106 km2) e elevada produção de sedimentos. A MUSLE é utilizada para estimar a perda de solo em cada minibacia considerando um fator topográfico LS bidimensional extraído do SRTM/MDE e os demais parâmetros obtidos da literatura ou por formulações específicas. O transporte de sedimentos nos rios é realizado utilizando uma equação de advecção para partículas de silte e argila (materiais em suspensão) e uma equação da continuidade para partículas de areia (carga de fundo). Uma troca lateral de sedimentos em suspensão também é permitida entre os rios e suas planícies de inundação. As metodologias acopladas ao MGB forneceram resultados satisfatórios na bacia do rio Madeira, possibilitando uma visão distribuída da localização das principais fontes de geração de sedimentos na bacia e dos trechos de rios com maiores cargas de sedimentos transportadas. A dinâmica geral dos sedimentos, desde os principais locais de geração de sedimentos na bacia até a sazonalidade do transporte de sedimentos em suspensão nos principais rios, foi representada de forma distribuída. As concentrações e as cargas de sedimentos em suspensão simuladas foram comparadas com dados observados, nas escalas anual, mensal e diária, com ajustes satisfatórios entre elas ao longo dos principais rios da bacia. A transferência lateral de sedimentos entre rio e planície indicaram que 35% de toda a carga de sedimentos provenientes dos Andes é depositada nas planícies. Essa representação também permitiu o amortecimento dos picos e o retardo da propagação das concentrações. As concentrações e as cargas médias mensais de sedimentos em suspensão apresentaram comportamento semelhante aqueles descritos por outros estudos realizados neste bacia, os quais a avaliaram a partir de dados de campo. Apesar dos resultados satisfatórios, foi feita uma avaliação das potencialidades e limitações do modelo e fornecidas recomendações para trabalhos futuros. It was developed a tool for modelling the production, transport and redistribution of sediments for large scales river basins, by integrating a simplified methodology to predict the spatial and temporal distribution of the soil loss over the basin with a methodology to transport sediments along river with floodplains, and couple them to the MGB-IPH hydrological distributed model. The MGB-IPH is a large-scale, distributed and process based hydrological model that uses a catchment based discretization and the Hydrological Response Units (HRU) approach. It uses physical based equations to simulate the hydrological processes, such as the Penman Monteith model for evapotranspiration, and uses the Muskingum Cunge approach and a full 1D hydrodynamic model for river routing; including backwater effects and seasonal flooding. The integration considers possible applications of the model in basins with data scarcity and the use of geographic information systems and spatially distributed information. It aimed to represent the sediments dynamics of large basin using the Madeira river basin as a case study, which is a large basin (~1,4.106 km2) with high amount of sediment transportation. The MUSLE model is used to predicts basin sediment production et each catchment considering a bi-dimensional topographic LS factor extract from SRTM/DEM and values of the other parameters derived from literature or specific equations. Sediment transport along the river are performed using an advection equation for silt and clay (suspended materials) and a sediment continuity equation for sand (bed load). A lateral exchange of suspended sediments is also allowed between rivers and its floodplains. The methodologies coupled with the MGB-IPH model provided satisfactory results in the Madeira river basin, allowing a distributed view of sediment production sites over the basin and of the rivers reaches transporting large amount of sediments. General sediment dynamic was represented in a spatialized way, including the main sources of sediment productions and the suspended sediment transport seasonality. Concentrations and loads of simulated suspended sediment were compared with observed data at annual, monthly and daily scales, shown satisfactory adjustments between them along the main rivers of the basin. Lateral exchanges of suspended sediment between rivers and floodplains indicated that near 35% of all Andeans loads are deposited into floodplains. This representation also allowed the damping of the peaks and the routing delay of the concentrations and of the loads of suspended sediments. Mean monthly concentrations and loads of suspended sediments showed similar behaviors of those described by other researches at this basin using observed data. Despite the satisfactory results, an assessment was made of the potential and limitations of the model and provided recommendations for future work.

A previsão com antecedência de curto e médio prazo da vazão em diferentes locais de bacias hidrográficas geralmente é benéfica ao permitir uma resposta antecipada a eventos hidrológicos como cheias, e a operação mais eficiente de obras hidráulicas como barragens. Atualmente, cada vez mais se tem reconhecida a importância da inclusão das incertezas na geração de previsões hidrológicas, feita através de previsões por conjunto (ou ensemble). Neste tipo de previsão são feitas inferências sobre cenários possíveis futuros através da consideração de, por exemplo, múltiplas trajetórias possíveis dos estados da atmosfera, que ao serem aplicadas em um modelo hidrológico resultam em distribuições de trajetórias de vazões. Várias aplicações recentes tem sugerido a possibilidade da tomada de melhores decisões para o futuro quando fundamentadas neste conhecimento das incertezas. No Brasil, um uso predominante de previsões hidrológicas é na operação de reservatórios de usinas hidroelétricas, que constituem a maior fonte de energia do País. As previsões nestes casos são utilizadas tanto para a operação normal do sistema nacional, feita de forma centralizada, como para a operação local das usinas em casos de cheia, onde é necessário velar pela segurança da barragem e pela atenuação de impactos a jusante e/ou a montante dos barramentos. Contudo, a forma como as previsões de vazão são geradas e usadas no cenário nacional não são baseadas em técnicas de previsão por conjunto, onde a própria pesquisa local sobre os potenciais benefícios destas formas de geração de previsões pode ser classificada como incipiente. Assim, o objetivo principal deste estudo é investigar benefícios em termos de qualidade e persistência do uso de previsões de afluência por conjunto para reservatórios em grandes bacias hidrográficas brasileiras em curto e médio prazo. Para cumprir com estes objetivos foram propostos ensaios de previsão de vazão por conjunto para três bacias hidrográficas brasileiras: Alto São Francisco, Doce, e Tocantins. O modelo hidrológico MGBIPH foi aplicado para a execução de previsões retroativas (hindcastings) alimentado por dados de chuva provindos de três diferentes sistemas de previsão meteorológica por conjunto (ECMWF-pf, GEFS, e CPTEC-pf) e mais uma previsão determinística de referência (ECMWF-fc), todos disponíveis na base de dados denominada TIGGE. De uma forma geral, as previsões por conjunto, principalmente dos modelos ECMWF-pf e GEFS, se mostraram superiores em termos de qualidade e persistência na comparação com a previsão determinística. E o uso do Super Ensemble, formado pela combinação dos três modelos mostrou-se uma alternativa entre as melhores testadas, principalmente por ser também uma estratégia robusta. Para uma estratégia de defesa contra cheias, as análises indicam benefícios para a consideração dos membros superiores dos conjuntos, e já para uma estratégia de operação de reservatórios essa visão pode ser mais focada em vazões médias, as quais podem conter algum viés. Já a comparação entre as bacias mostrou que resultados não podem ser transportados de um local para outro, apesar de estarem no mesmo clima. Em relação às incertezas, notou-se que a modelagem hidrológica amplifica as incertezas na previsão na medida em que os estados do modelo da grande bacia evoluem. De qualquer forma, acreditase que os resultados mostram que mais investimentos em técnicas de previsão por conjunto e suas aplicações são um caminho a ser seguido para ampliar os benefícios do uso de previsões hidrológicas. Short to medium-term streamflow forecasts at different locations in a watershed are generally beneficial to allow an early response to hydrological events such as floods, and more efficient operation of hydraulic structures such as dams. Currently, an increasingly recognition has been given to the including of uncertainties in the generation of hydrological forecasts, what is usually made producting the so called Ensemble Forecast. In this kind of forecast inferences about possible future scenarios are made by considering, for example, multiple possible trajectories of the atmospheric states, which when applied to a hydrological model results in streamflow trajectories distributions. Several recent applications suggested the possibility of better decisions making based on this uncertainties knowledge. In Brazil, a predominant use of hydrological forecasts is for hydropower reservoirs operation, which are the largest source of energy for the country. Future inflows estimates in these cases are used either for normal operation of the national system, done centrally, as for local operation of the dams in cases of floods, where it is necessary to ensure the dam safety and the mitigation of impacts downstream and/or upstream. However, the currently technique used to generate the operational forecasts is not based on ensembles, and the Brazilian local research on the potential benefits of these forms of forecasts production can be classified as incipient. Thus, the aim of this Thesis was to investigate benefits in terms of quality and persistence of using short to medium-term ensemble inflow forecast for reservoirs located on large Brazilian river basins. To fulfill these objectives streamflow forecast tests have been proposed for three Brazilian river basins: Alto San Francisco, Doce, and Tocantins. The hydrological model MGB-IPH was applied to perform retroactive forecasts (hindcastings) within a period of tests forced by rainfall data from three different ensemble weather forecasting systems (ECMWFpf, GEFs, and CPTEC-pf) and a deterministic prediction reference (ECMWF-fc), all available in the TIGGE archive. In general, the ensemble predictions, especially from ECMWF-pf and GEFs models, were superior in quality and persistence in comparison to the deterministic reference. And the use of the Super ensemble composed by the combination of the three ensemble models was shown to be among the results, and also a robust strategy. For a flood protection strategy, the analyzes indicate benefits in the consideration of the upper bounds of the ensembles, and for a reservoir operation strategy that vision could be more focused on average flow rates, which may contain some verified bias. The comparison between the basins results showed that one can not transport results and considerations from one location to another, despite being in the same climate region. Regarding uncertainties, it was noted that hydrological modeling amplifies the uncertainty in the forecasts, in some extent due to the large basin evolution of state variables. Anyway, it is believed that more investments in ensemble forecasting techniques and its applications shown to be a good way to make better use of forecasts.

Os efeitos das alterações de uso da terra na hidrologia das bacias hidrográficas têm sido, ao longo dos anos, amplamente discutidos para pequenas bacias experimentais. O uso de modelos hidrológicos para descrever esse tipo de processo tem se tornado promissor no que tange o estudo de grandes bacias. Sendo assim, o objetivo deste trabalho é avaliar uma metodologia para analisar o impacto das mudanças de uso da terra sobre o regime hidrológico em bacias hidrográficas de grande escala. Este estudo foi realizado por meio de simulação. Para isso foi utilizado um modelo hidrológico distribuído de base física, o Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH). Para realizar simulações de impactos das mudanças de uso da terra, inicialmente avaliou-se a capacidade do modelo MGB-IPH de captar as alterações produzidas pelas mudanças de uso. A análise de sensibilidade mostrou que a vazão gerada na bacia é inversamente proporcional aos parâmetros de índice de área foliar (IAF) e de altura média da vegetação (h), uma vez que quanto maior o IAF, mais interceptação ocorrerá na bacia e, quanto maior o valor de h, mais facilidade haverá nas trocas aerodinâmicas, ambos favorecendo o processo de evaporação. Já em relação aos parâmetros albedo (a) e resistência superficial (rs), a vazão gerada é diretamente proporcional, pois quanto maior o a maior a energia refletida pela superfície e, consequentemente menos energia estará disponível para o processo de evaporação. Em relação à rs, o seu aumento implica em uma menor perda por transpiração, disponibilizando mais água para gerar escoamento. As simulações de análise de sensibilidade mostraram que o MGB-IPH reproduz, de forma coerente, o comportamento médio das bacias submetidas ao desmatamento em um grande número de estudos experimentais. Assim, avaliou-se os impactos das mudanças de uso da terra no regime hidrológico em bacias de grande escala através de um estudo de caso. Este estudo de caso foi realizado na Bacia Hidrográfica do Rio Paraná. Os resultados das simulações mostraram que o desmatamento possui forte influência sobre as variáveis hidrológicas, como interceptação, evapotranspiração e vazão. Devido ao desmatamento foram verificadas reduções na interceptação e na evapotranspiração ao longo dos anos. Em relação a vazão, verificou-se que as simulações foram capaz de captar a não estacionariedade existente nas vazões observadas. Além disso, foi possível verificar que a vegetação pode ser associada a 39% dos incrementos observados na vazão média de longo termo, quando comparados os períodos anterior e posterior a 1970 na Bacia Hidrográfica do Rio Paraná. Já as variações na precipitação são responsáveis por 61% dos impactos na vazão média. Em relação às vazões extremas foram verificados incrementos, sendo eles mais expressivos nas vazões mínimas do que nas vazões máxima. Assim, pode-se afirmar que a metodologia proposta é consistente com os efeitos observados na bacia e com os resultados de estudos experimentais realizados em diferentes regiões do mundo. The effects of land use change on the hydrology of watersheds have been widely discussed during several years in small basins. The hydrological models have been promising for describe the effects of land use change in hydrology in large basins. Thus, the aim of this study was to evaluate a methodology to study the impact of land use changes on the hydrological processes in large basins. This study was conducted by hydrological simulation. For this, a physically based distributed hydrological model, Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH), was used. The ability of MGB-IPH model for study the effects of land-use change in hydrology processes was first analyzed. The results of sensibility analysis showed that the flow generated in the basin is inversely proportional to the parameters of leaf area index (LAI) and average vegetation height (h), since the higher the LAI more interception, and the higher the h easier will be the aerodynamic changes, both favoring the evaporation process . The flow is directly proportional to the parameters albedo (a) and surface resistance (rs), since the greater the a, more energy reflected by the surface, and consequently less energy is available for the evaporation process. The increasing in rs parameter implies a smaller loss by transpiration, and then more runoff is generated. The sensibility analysis showed that the MGB-IPH reproduces consistently, the average behavior of the basins subjected to deforestation on a large number of experimental studies. Thus, we evaluated the impacts of land use changes on the hydrological regime in large-scale basins by a case study. This case study was conducted in the Paraná River Basin. The simulation results showed that deforestation has a strong influence by hydrological variables, such as interception, evapotranspiration and flow. Due to deforestation were observed interception and evapotranspiration reduction over the years. It was found that the simulations were able to capture the non-stationarity in the observed streamflows. Furthermore, we found that 39% of the observed increase in average flow of long term is due to vegetation change, when comparing the periods before and after 1970 in the Paraná River Basin, while the 61% is due precipitation changes. Increments were observed in extreme flows. These increments were more evident at low flows than the maximum flow. Thus, it can be stated that the proposed methodology is consistent with the effects observed in the Rio Paraná basin and with the results of experimental studies conducted in different regions of the world.

Os reservatórios se constituem numa das principais formas estabelecidas pelo homem de modificar o ciclo hidrológico ao armazenar água para sua utilização no futuro. Em algumas regiões do país este mecanismo é de fundamental importância para o atendimento das demandas consultivas, seja pelas condições adversas do clima, como é o caso do semiárido nordestino, como também em função da alta demanda de água requerida para o atendimento da irrigação, como ocorre em algumas áreas do Rio Grande do Sul. Este trabalho apresenta uma metodologia de balanço hídrico em rios e reservatórios de pequeno porte, cujo foco é o atendimento aos instrumentos da Política Nacional de Recursos Hídricos, como a outorga de direito de recursos hídricos e as políticas de planejamento. A metodologia está baseada na integração entre o modelo hidrológico chuva-vazão MGB-IPH como recurso para obtenção das séries afluentes de cada reservatório e trecho de rio do sistema hídrico. Associado ao modelo hidrológico, está a integração com os Sistemas de Informações Geográficas, que possuem a vantagem de obtenção das características físicas da bacia de forma automática, facilitando também a associação com os objetos que representam o sistema hídrico (i.e. demandas e reservatórios). O modelo de simulação realiza a contabilização do movimento de água através de um sistema de reservatórios e trechos de rio, cuja progressão de cálculo é realizada de montante para jusante. Como técnica de otimização, foi utilizado o algoritmo SCE-UA, baseado na teoria dos algoritmos evolucionários. A metodologia desenvolvida foi aplicada na Bacia do Rio Quaraí, caracterizada pelo intenso uso da água para o atendimento das demandas da irrigação, e também pelo estabelecimento de centenas de pequenas estruturas de reservação de água, destinadas ao abastecimento destas demandas. Os resultados indicaram que não há água suficiente para o atendimento das demandas da irrigação em 100% do tempo. Em média, apenas 75% do volume total de água requerido para o atendimento das demandas atuais poderia ser atendido, considerando o período simulado de 20 anos. Nos anos mais críticos pode ocorrer o esgotamento do curso principal do Quaraí e outros locais, decorrência das retiradas de água, além do efeito da reservação de água pelos açudes, pois admitiu-se a hipótese de não existirem descarregadores de fundo nessas estruturas. Como alternativas para a gestão da água na bacia, apontam-se a definição de critérios de outorga para retiradas e liberação de água em reservatórios, além de implementação de novas estruturas de reservação e regularização. Reservoirs are the most important form established by the man to modify the hydrological cycle to store water for use in the future. In some regions of Brazil this mechanism is crucial to meet the advisory needs, either by adverse weather conditions, such as the semi-arid northeast, but also due to the high demand of water required to meet the irrigation, as occurs in some areas of Rio Grande do Sul. This work presents a methodology of water balance in rivers and small reservoirs, whose focus is to achieve the goals of the instruments of the National Water Resources Policy, as the water rights and the planning policies. The methodology is based on the integration between the hydrological rainfall-runoff model MGB-IPH as a resource for obtaining streamflow series from upstreams of each reservoir and for all sub-watershed defined on the water system. Associated with the hydrological model is the integration with Geographic Information Systems, which have the advantage of obtaining the physical characteristics of the basin automatically, it also facilitates association with objects that represent the water system (i.e. demands and reservoirs). The simulation model performs accounting for the movement of water through a system of reservoirs and river stretches whose progression calculation is performed from upstream to downstream. As optimization technique, the SCE-UA algorithm, based on the theory of evolutionary algorithms was used. The procedure was applied in the Quaraí River Basin, characterized by intense use of water to meet the irrigation demands, and also by the establishment of hundreds of small structures reservation of water, destined to supply these demands. The results indicated that there is not water enough to meet the demands of irrigation at 100% of the time. On average, only 75% of the total volume of water required to meet the current demands could be met, considering the simulated period of 20 years. In the most critical years can occur exhaustion of the main course of the Quaraí and other sites, due to withdrawals plus the effect of the reservation by dams, it admitted the hypothesis that there are no releases in this structures. As alternatives to water management in the basin, point the definition of licensing criteria for withdrawals and releases in dams, as well as implementing new reservoir with regularization structures.

A modelagem matemática é uma valiosa ferramenta para avaliação de alterações da qualidade da água causadas por descargas diversas. Para a simulação de bacias hidrográficas a integração com sistemas de informações geográficas (SIG) é muito útil para a descrição detalhada e automatizada da região de interesse, e para a interpretação dos resultados. Neste contexto de desenvolvimento de soluções integradas que o presente trabalho tem como objetivo contribuir para a melhoria no gerenciamento da qualidade da água em bacias hidrográficas, onde é apresentado o desenvolvimento de um modelo acoplado com SIG, aplicável para condições de baixa disponibilidade de dados, denominado SIAQUA-IPH. Adotou-se para o modelo a utilização de soluções analíticas da equação de advecção-dispersão para simular o impacto de lançamentos com duração variável em cursos de água, incluindo lançamentos instantâneos, ou de duração curta. No modelo é adotado um esquema de convolução dos polutogramas para a representação de lançamentos múltiplos e de confluências existentes na bacia. Ainda, para a simulação de constituintes comumente encontrados em esgotos (DBO, OD, N, P e Coliformes) foi adotada a utilização de soluções conhecidas, como a equação de Streeter-Phelps. Soluções analíticas foram priorizadas visando diminuir restrições relacionadas à capacidade computacional, tempo de simulação e outros erros numéricos. A topologia adotada na concepção do modelo consiste na subdivisão da bacia hidrográfica em pequenos trechos de rio, que pode ser obtida automaticamente através de ferramentas de geoprocessamento, o que caracteriza o primeiro fator de integração com SIG desenvolvida. Esta é a mesma topologia utilizada pelo modelo MGB-IPH, por isto os resultados do modelo hidrológico podem ser utilizados diretamente pelo modelo de qualidade. Como segundo fator de integração com SIG, o SIAQUA-IPH foi desenvolvido plenamente acoplado à plataforma MapWindow GIS®, de uso livre, onde o SIG é a forma como o usuário interage com o modelo, inserido os dados de entrada e visualizando os resultados. Para a calibração do SIAQUA-IPH adotou-se a possibilidade do uso do algoritmo de calibração automática SIMPLEX de Nelder-Mead. Para o cálculo do coeficiente de dispersão longitudinal foi adotado o uso de formulações práticas, selecionadas a partir de uma matriz de seleção desenvolvida. Testes hipotéticos de funcionamento do modelo nas bacias do rio Ijuí (RS) e do rio São Francisco (MG) evidenciaram um desempenho pleno de todas as soluções adotadas. Em um terceiro ensaio de representação de dados de traçadores, obtidos de Rigo (1992), foram obtidos resultados satisfatórios em que as diferenças computadas servem de referência para usuários sobre as incertezas dos métodos utilizados. Espera-se que as soluções adotadas no desenvolvimento do SIAQUA-IPH sirvam para várias aplicações, incluindo estudos prévios de impacto, avaliações posteriores de despejos ocorridos, e até suporte à decisão em tempo real, como no caso de derramamentos acidentais. Mathematical modeling is a valuable tool to assess water quality changes produced by different kinds of discharges. For watershed simulations, the coupling with Geographic Information Systems (GIS) is very useful for automated and detailed description of the studied region and for helping results interpretation. On this context of integrated solutions development that this research aims to contribute for river basins water quality management improving, where is exposed the development of a model coupled with GIS and applicable to low data availability conditions, called SIAQUA-IPH. In the model was adopted the use of advection-dispersion equation analytical solutions to simulate the impacts of various duration discharges into rivers. A polutograph convolution scheme is adopted for representing multiple spills and confluences in the basin. For constituents commonly found in sewage simulation (BOD, OD, N, P and Coliforms) the model also allows the use of classical solutions, such as the Streeter-Phelps equation. The model is designed to use primarily analytical solutions aiming to reduce constraints related to computational capacity, simulation time and others numerical issues. The topology adopted in the model consists in the hydrography discretization into small river reaches, which can be obtained automatically through geoprocessing tools, which is the primary factor of developed GIS coupling. Also, as this is the same topology used by the MGB-IPH model, the hydrological model results can be used directly by the water quality model. As a second GIS integration factor, SIAQUA-IPH was developed fully coupled to MapWindow GIS ® platform, free distributed, where the GIS is the way the user interacts with the model, enters the input information and access results. Calibration of SIAQUA-IPH can be performed through Nelder-Mead SIMPLEX automatic calibration algorithm. For the longitudinal dispersion coefficients estimation was adopted the use of empirical formulations, selected through a selection matrix developed. Tests of hypothetical releases in the Ijuí (RS) and in the São Francisco (MG) river basins were carried out, which showed a full performance of all the adopted solutions. Also, a tracer data representation test was conducted using data showed by Rigo (1992) in the Paraíba do Sul River (RJ), where obtained results were considered satisfactory and computed differences can be used as a guide for uncertainty of the adopted methods. It is expected that the SIAQUA-IPH serves for various applications, including prior studies of pollutants releases, later evaluations of discharges and to support real-time decision in case of accidental spills.

Le bassin Amazonien est connu comme le plus grand système hydrologique du monde et pour son rôle important sur le système terre, influençant le cycle du carbone et le climat global. Les pressions anthropiques récentes, telles que la déforestation, les changements climatiques, la construction de barrage hydro-électriques, ainsi que l’augmentation des crues et sécheresse extrêmes qui se produisent dans cette région, motivent l’étude de l’hydrologie du bassin Amazonien. Dans le même temps, des méthodes hydrologiques de modélisation et de surveillance par observation satellitaire ont été développées qui peuvent fournir les bases techniques à cette fin. Ce travail a eu pour objectif la compréhension et la prévision du régime hydrologique du bassin Amazonien. Nous avons développé et évaluer des techniques de modélisation hydrologique-hydrodynamique de grande échelle, d’assimilation de données in situ et spatiales et de prévision hydrologique. L’ensemble de ces techniques nous a permis d’explorer le fonctionnement du bassin Amazonien en terme de processus physiques et de prévisibilité hydrologique. Nous avons utilisé le modèle hydrologique-hydrodynamique de grande échelle MGB-IPH pour simuler le bassin, le forçage précipitation étant fourni par l’observation spatiale. Les résultats de la modélisation sont satisfaisants lorsque validés à partir de données in situ de débit et de hauteurs d’eau mais également de données dérivées de l’observation spatiale incluant les niveaux d’eau déduits de l’altimétrie radar, le contenu en eau total issu de la gravimétrie satellitaire, l’extension des zones inondées. Nous avons montré que les eaux superficielles sont responsables en grande partie de la variation du stock total d’eau, l’influence des grands plans d’eau sur la variabilité spatiale des précipitations et l’influence des plaines d’inondation et des effets de remous sur la propagation des ondes de crues. Nos analyses ont montré le rôle prépondérant des conditions initiales, en particulier des eaux superficielles, pour la prévisibilité des grands fleuves Amazoniens, la connaissance des précipitations futures n’ayant qu’une influence secondaire. Ainsi, pour améliorer l’estimation des variables d’état hydrologiques, nous avons développé, pour la première fois, un schéma d’assimilation de données pour un modèle hydrologique-hydrodynamique de grande échelle, pour l’assimilation de données de jaugeages in situ et dérivées de l’altimétrie radar (débit et hauteur d’eau), dont les résultats se sont montrés satisfaisants. Nous avons également développé un prototype de système de prévision des débits pour le bassin Amazonien, basé sur le modèle initialisé avec les conditions initiales optimales fournies par le schéma d’assimilation de données, et en utilisant la pluie estimée par satellite disponible en temps réel. Les résultats ont été prometteurs, le modèle étant capable de prévoir les débits dans les principaux fleuves Amazoniens avec une antécédence importante (entre 1 et 3 mois), permettant d’anticiper, par exemple, la sècheresse extrême de 2005. Ces résultats démontrent le potentiel de la modélisation hydrologique appuyé par l’observation spatiale pour la prévision des débits avec une grande antécédence dans les grands bassins versant mondiaux. A bacia Amazônica se destaca como o principal sistema hidrológico do mundo e pelo seu importante papel no sistema terrestre, influenciando o ciclo de carbono e o clima global. Recentes pressões antrópicas, como o desflorestamento, mudanças climáticas e a construção de barragens hidroelétricas, somados às crescentes cheias e secas extremas ocorridas nesta região, motivam o estudo da hidrologia da bacia Amazônica. Ao mesmo tempo, têm se desenvolvido métodos hidrológicos de modelagem e monitoramento via sensoriamento remoto que podem fornecer as bases técnicas para este fim. Este trabalho objetivou a compreensão e previsão da hidrologia da bacia Amazônica. Foram desenvolvidas e avaliadas diversas técnicas, incluindo de modelagem hidrológica-hidrodinâmica de larga escala, de assimilação de dados in situ e de sensoriamento remoto, e de previsão hidrológica. Este conjunto de técnicas foi utilizado para compreender o funcionamento da bacia Amazônica em termos de seus processos hidrológicos e sua previsibilidade hidrológica. O modelo hidrológico-hidrodinâmico de larga escala MGB-IPH foi utilizado para simular a bacia, sendo forçado com dados de chuva estimados por satélite. O modelo mostrou bom desempenho em uma validação detalhada contra observações de vazões e cotas in situ além de dados oriundos de sensoriamento remoto, incluindo níveis d’água de altimetria por radar, armazenamento d’água de gravimetria espacial e extensão de áreas alagadas. Mostrou-se a dominância das águas superficiais nas variações do armazenamento de água, a influência dos grandes corpos d’água sobre a variabilidade espacial da precipitação, além da importância das várzeas da inundação e efeitos de remanso sobre a propagação das ondas de cheia Amazônicas. As condições hidrológicas iniciais, com destaque para as águas superficiais, mostraram dominar a previsibilidade hidrológica nos grandes rios amazônicos, tendo assim a precipitação no futuro um papel secundário. Portanto, afim de melhor estimar os estados hidrológicos, de forma pioneira, foi desenvolvido um esquema de assimilação de dados para um modelo hidrológicohidrodinâmico de larga escala para assimilar informações in situ e de altimetria por radar, cujo desempenho se mostrou satisfatório. Desenvolveu-se também um protótipo de sistema de previsão de vazões para a bacia Amazônica, baseado no modelo inicializado com condições iniciais ótimas do esquema de assimilação de dados e utilizando precipitação estimada por satélite disponível em tempo real. Os resultados foram promissores e o modelo foi capaz de prever vazões nos principais rios amazônicos com grande antecedência (~1 a 3 meses), antecipando, por exemplo, a grande seca de 2005. Estes resultados mostram o potencial da modelagem hidrológica de larga escala apoiada por informação de sensoriamento remoto na previsão de vazões com alta antecedência nas grandes bacias hidrográficas do mundo. The Amazon basin is known as the world’s main hydrological system and by its important role in the earth system, carbon cycle and global climate. Recent anthropogenic pressure, such as deforestation, climate change and the construction of hydropower dams, together with increasing extreme floods and droughts, encourage the research on the hydrology of the Amazon basin. On the other hand, hydrological methods for modeling and remotely sensed observation are being developed, and can be used for this goal. This work aimed at understanding and forecasting the hydrology of the Amazon River basin. We developed and evaluated techniques for large scale hydrologic-hydrodynamic modeling, data assimilation of both in situ and remote sensing data and hydrological forecasting. By means of these techniques, we explored the functioning of the Amazon River basin, in terms of its physical processes and its hydrological predictability. We used the MGB-IPH large scale hydrologichydrodynamic model forced by satellite-based precipitation. The model had a good performance when extensively validated against in situ discharge and stage measurements and also remotely sensed data, including radar altimetry-based water levels, gravimetric-based terrestrial water storage and flood inundation extent. We showed that surface waters governs most of the terrestrial water storage changes, the influence of large water bodies on precipitation spatial variability and the importance of the floodplains and backwater effects on the routing of the Amazon floodwaves. Analyses showed the dominant role of hydrological initial conditions, mainly surface waters, on hydrological predictability on the main Amazon Rivers, while the knowledge of future precipitation may be secondary. Aiming at the optimal estimation of these hydrological states, we developed, for the first time, a data assimilation scheme for both gauged and satellite altimetry-based discharge and water levels into a large scale hydrologic-hydrodynamic model, and it showed a good performance. We also developed a forecast system prototype, where the model is based on initial conditions gathered by the data assimilation scheme and forced by satellite-based precipitation. Results are promising and the model was able to provide accurate discharge forecasts in the main Amazon rivers even for very large lead times (~1 to 3 months), predicting, for example, the historical 2005 drought. These results point to the potential of large scale hydrological models supported with remote sensing information for providing hydrological forecasts well in advance at world’s large rivers and poorly monitored regions.

A previsão e emissão de alertas antecipados constituem um dos principais elementos na prevenção dos impactos ocasionados por eventos de cheias. Uma das formas utilizadas para se obter uma ampliação do horizonte de previsão é através do uso da modelagem chuva-vazão associada à previsão de precipitação, tipicamente derivada de modelos meteorológicos. A precipitação, no entanto, é uma das variáveis que impõe maior dificuldade na previsão meteorológica, sendo considerada uma das principais fontes de incerteza nos resultados da previsão de cheias. A previsão por conjunto é uma técnica originalmente desenvolvida nas ciências atmosféricas e procura explorar as incertezas associadas às condições iniciais e/ou deficiências na estrutura dos modelos meteorológicos com intuito de melhorar sua previsibilidade. A partir de diferentes modelos meteorológicos ou de diferentes condições iniciais de um único modelo, são gerados um conjunto de previsões que representam possíveis trajetórias dos processos atmosféricos ao longo do horizonte de previsão. Pesquisas recentes, principalmente na Europa e Estados Unidos, têm mostrado resultados promissores do acoplamento de previsões meteorológicas por conjunto à modelos hidrológicos para realizar previsões de cheia. Essa pesquisa trata da avaliação do benefício da previsão de cheias por conjunto em curto prazo, em uma bacia de médio porte, utilizando dados e de ferramentas para previsão de vazões disponíveis em modo operacional no Brasil. Como estudo de caso foi utilizada a bacia do Rio Paraopeba (12.150km²), de clima tipicamente tropical, localizada na região sudeste do Brasil. A metodologia proposta para geração das previsões hidrológicas utilizou o modelo hidrológico MGB-IPH alimentado por um conjunto previsões de precipitação de diferentes modelos, com diferentes condições iniciais e parametrizações, dando origem a distintos cenários de previsão de vazões. Como parâmetro de referência na avaliação do desempenho das previsões por conjunto foi utilizada uma previsão hidrológica determinística única, baseada em uma previsão de precipitação obtida da combinação ótima de saídas de diversos modelos meteorológicos. As previsões foram realizadas retrospectivamente no período entre ago/2008 e mai/2011, sendo analisadas durante o período chuvoso dos anos hidrológicos (out-abr). Os resultados das previsões de cheia por conjunto foram avaliados através de uma representação determinística, considerando a média dos membros do conjunto, assim como através de uma representação probabilística, considerando todos os membros, através de medidas de desempenho específicas para esse fim. Na avaliação determinística, a média do conjunto hidrológico apresentou resultados similares aos obtido com a previsão determinística de referência, embora tenha apresentado benefício significativo em relação à maior parte dos membros do conjunto. A avaliação das previsões de cheia por conjunto, por sua vez, mostrou a existência de uma superestimativa e de um subespalhamento dos membros em relação às observações, sobretudo nos primeiros intervalos de tempo da previsão. Na comparação dos resultados das previsões de eventos do tipo dicótomos, que consideram a superação ou não de vazões limites de alerta, o 9º decil das previsões por conjunto mostrou superioridade em relação à previsão determinística de referência e mesmo a média do conjunto, sendo possível obter, na maior parte dos casos analisados, um aumento significativo na proporção de eventos corretamente previstos mantendo as taxas de alarmes falsos em níveis reduzidos. Esse benefício foi, de modo geral, maior para maiores antecedências e vazões limites, situações mais importantes num contexto de prevenção de cheias. Os resultados mostraram ainda que, em média, uma diminuição do número de membros do conjunto diminui seu desempenho nas previsões. The forecasting and issuing of early warnings represent a key element to prevent the impacts of flood events. An alternative to extend forecasting horizon is the use of rainfall-runoff modeling coupled with precipitation forecasts derived from numerical weather prediction (NWP) models. However, NWP models have difficulty to accurately predict precipitation due to the extremely sensitivity of the initial conditions. Therefore, this variable represents one of the major sources of uncertainties in flood forecasting. A probabilistic or ensemble forecasting approach was originally developed in the atmospheric sciences and then applied to other research areas. This procedure explores the uncertainties related to initial conditions and deficiencies in the structure of NWP models intending to improve its predictability. Using different NWP models or different initial conditions of a single model, an ensemble forecast showing possible trajectories of atmospheric processes over the forecast horizon are produced. Recent studies developed in Europe and the United States have shown promising results in flood forecasting using hydrological models fed by NWP ensemble outputs. The present research assess the performance of short term ensemble flood forecasting in a medium size tropical basin, based on data and streamflow forecasting tools available in operational mode in Brazil. The Paraopeba River basin (12,150 km²), located in the upper portion of the São Francisco River basin, in Southeastern Brazil, was selected as a case study. The proposed methodology used the MGB-IPH hydrological coupled to an ensemble of precipitation forecasts generated by several models with different initial conditions and parameterizations. The results are several scenarios of streamflow forecasts. A single deterministic streamflow forecast, based on a quantitative precipitation forecast derived from the optimal combination of several outputs of NWP models, was used as a reference to assess the performance of the streamflow ensemble forecasts. The streamflow forecasts were performed between aug/2008 and may/2011 and were analyzed during the rainy seasons (austral summer). The results from the ensemble flood forecasting were assessed by deterministic and probabilistic performance measures, with the ensemble mean being used by the former, and specific assessment measure by the later. Based on the deterministic assessment, the ensemble mean showed similar results to those obtained by the deterministic reference forecast, although showing better performance over most of the ensemble members. Based on the probabilistic performance measures, however, results showed the existence of an ensemble overforecasting and underspread of the members in regard to observed values, especially during the first lead times. The results for predictions of dichotomous events, which mean exceeding or not flood warning thresholds, showed that the 9th decile of the ensemble over performed the deterministic forecast and even the ensemble mean. In most cases, it was observed an increase in the proportion of correctly forecasted events while keeping false alarm rates at low levels. This benefit was generally higher for higher flow thresholds and for longer lead times, which are the most important situations for flood mitigation. The results show, also, that, in average, a reduction in the number of ensemble members decreases the performance of ensemble flood forecasts.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico ABSTRACT: In regions of natural or planted forests, rainfall interception by vegetation can be an important variable in the hydrological cycle and should not be neglected. This research analyzes the process of interception in different forest types (native and planted) in the region of Santa Maria - RS, at the head of Vacacaí Mirim. The variables Rainfall (R), stemflow (Sf), and throughfall (Tf) were monitored in the period from Dec/09 to Fev/11. Rainfall was monitored in two tipping bucket rain gauges and meteorological station installed in the subbasin on July 14th, 2010. Throughfall was monitored in three plots (areas I, II and III) with dimensions of 12 m x 50 m, 21 m x 12 m and 10 m x 20 m, respectively. The sampling points were installed 40 or 60 cm from the ground and spaced 1 m in straight line. In area I (native forest), 101 stakes were allocated to 40 instruments; where 20 collectors remained in fixed locations and 20 were rotated randomly. In the areas II (native forest) and III (eucalyptus) 60 sampling points were allocated to 20 collectors; at each new collection they were placed one sampling point ahead the former. Stemflow was based on values suggested in literature and by monitoring the flow in three selected trees within each plot, and the interception was calculated as the difference between precipitation and the sum of throughfall and stemflow. The results showed that interception is a key component of the hydrological cycle and, in general, underestimated by the hydrological models.The highest interception value was checked for native forest and the largest stemflow for eucalyptus. The stemflow was higher than the values observed by other authors, revealing that this variable cannot be ruled out in the study of interception. On the other hand, the ranges of variation of throughfall and interception were close to those reported in other studies. The results seem also to suggest that the depth parameter adopted for the calculation of interception using the leaf area index is underestimated and should be 0.4. Statistical analysis of the number of collectors used and necessary to ensure error of 5 mm of throughfall in relation to its average and 90% of confidence, showed that for vegetation such as Eucalyptus, the use of 20 rotating collectors were sufficient in 95.45% of the collections; which may be a reference to works in which there is a pattern of similarity of species. For native forest we observed that when the vegetation has a low density and the similar pattern of canopy, stem diameter and height, the use of 20 rotating collectors would be enough to ensure statistical requirements set out in 71.43% of the samples monitored. When the native vegetation is dense, with standard range of height, stem diameter and crown area, we observed the need for a higher number of collectors equipment of throughfall. The use of 40 collectors (20 fixed and 20 rotational) assured that the statistical requirements stipulated were guaranteed in 60.98% of the samples monitored. RESUMO: Nas regiões de floretas naturais ou plantadas, a interceptação da precipitação pela vegetação pode ser uma importante variável do ciclo hidrológico, não devendo ser negligenciada. Esta pesquisa analisou o processo de interceptação em diferentes formações florestais (nativa e plantada) na região de Santa Maria - RS, na cabeceira do Vacacaí Mirim. As variáveis monitoradas no período de dez/09 a fev/11 foram: precipitação inicdente (P), escoamento pelo tronco (Esct) e precipitação interna (Pi). A precipitação incidente foi monitorada em dois pluviômetros tipo cubas-basculantes e pela estação climatológica instalada na sub-bacia em 14/7/2010. A precipitação interna foi monitorada em três parcelas (área I, II e III) com dimensões de 12 m x 50 m, 21 m x 12 m e 10 m x 20 m, respectivamente. As estacas foram instaladas a 40 ou 60 cm do solo, sendo espaçadas de 1 m e em linha reta. Na área I (mata nativa), foram alocadas 101 estacas para disposição de 40 instrumentos, sendo que 20 permaneceram fixos e 20 foram rotacionados. Já nas áreas II (mata nativa) e III (eucalipto) foram alocadas 60 estacas para disposição de 20 coletores, sendo que a cada nova coleta eles eram realocados uma estaca a frente da anterior. O escoamento pelo tronco foi determinado com base em valores sugeridos em literatura e por meio de monitoramento do escoamento em três árvores escolhidas dentro de cada parcela e a interceptação foi calculada pela diferença entre P e a soma de Pi e Esct. Os resultados mostraram que a interceptação é uma componente fundamental do ciclo hidrológico e, em geral, subestimada pelos modelos hidrológicos. O maior valor de interceptação foi verificado para mata nativa e o maior Esct para eucalipto. O escoamento pelo tronco foi superior aos valores verificados por outros autores, revelando que essa variável não pode ser descartada no estudo da interceptação. Já as faixas de variação de precipitação interna e da interceptação ficaram próximas aquelas registradas em outros estudos. Os resultados parecem sugerir, ainda, que o parâmetro de lâmina adotado para o cálculo de interceptação com utilização do índice de área foliar está subestimado e deveria ser 0,4. A análise estatística do número de aparelhos utilizados e necessários para garantir 5 mm de erro de Pi em relação a sua média e 90% de confiança, mostrou que para vegetação do tipo eucalipto, o uso de 20 instrumentos rotacionáveis seriam suficientes em 95,45% das coletas realizadas. O que pode ser uma referência para trabalhos em que existe um padrão de semelhança de espécies. Já para mata nativa observou-se que, quando a vegetação apresenta baixa densidade e mesmo padrão de copa, diâmetro do caule e altura, o uso de 20 instrumentos rotacionáveis seria suficiente para garantir os requisitos estatísticos estipulados em 71,43% das coletas monitoradas. Quando a vegetação nativa é densa, com padrão variado de altura, diâmetro do caule e área da copa, percebeu-se a necessidade de um número mais elevado de equipamentos coletores de Pi. O uso de 40 instrumentos, (20 aparelhos rotacionáveis e 20 fixos), garantiu que em 60,98% das coletas monitoradas os requisitos estatísticos estipulados fossem assegurados.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Areas under intensive tobacco crop cultivation have been impacting the water balance and increasing soil erosion in Southern Brazil. Application of large amounts of mineral fertilizers, higher than the tobacco requirement, contributes to excessive phosphorus loads in soil and water bodies. The assessment of potential environmental impacts due to changes in land use and management practices is necessary to achieve the sustainable management of natural resources such as soil and water. In this study the hydrological processes, the sediment yield and the phosphorus transfer in the Arroio Lino watershed were evaluated by using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model. The small watershed (4.18 km2 ) is located in Southern Brazil and its main land use is tobacco crop under conventional tillage. Measured streamflow and sediment yield at the watershed outlet were used for model streamflow sensitivity analysis, calibration and validation. Phosphorus loads at four sub-watersheds (A1, A2, B, C) and at the watershed outlet were used for model sensitivity analysis and calibration. A Latin Hypercube (LH) and One-factor- At-a-Time (OAT) sensitivity analysis was performed on input variables. Model calibration was performed with the Shuffled Complex Evolution Algorithm-Uncertainty Analysis (SCE-UA). Time series plots and standard statistical measures were used to verify model predictions. Adaptations of the model parameters for the reality of the region in which the watershed is located were made during the calibration and validation of the model. The predicted monthly streamflow matched the observed values, with a Nash Sutcliffe coefficient (NSE) of 0.87 for calibration and 0.76 for validation. In an attempt to account for sediment transport and deposition processes across the landscape, the SWAT model was modified to simulate landscape sediment transport capacity. The new deposition routine performed better during calibration (NSE of 0.70) than SWAT standard version (NSE of -0.14) in the studied watershed. The modified model provided reasonable simulations of sediment transport across the landscape positions. The results suggest that the integration of the sediment deposition routine in SWAT increases model predictions accuracy in steeper areas, while at the same time significantly improves the ability to predict spatial distribution of sediment deposition areas. The predicted P loads are in the order of magnitude of the measured ones, however, the model failed to predict the P loads in three sub-watersheds (A1, A2 and B). Although occupying only 29% of the total land cover, cropland is the primary source of nutrients in the watershed (80%). After calibration of streamflow, sediment yield and phosphorus loads, the simulation of distinct management scenarios was done for the Arroio Lino watershed. Three scenarios of management practices: conventional tillage (CT), minimum tillage (MT) and no-tillage cultivation (NT) with reduction of 50% of fertilizer rate application were tested over a period of 30 years. No-tillage practices did not significantly affect water yield, but greatly affected sediment yield due to reduction of soil erosion. The soluble phosphorus losses decreased mainly when the fertilizer doses decreased. The simulation results suggest that conventional tillage practices should be replaced by less intensive tillage practices in order to minimize environmental impacts caused by a single land use. Áreas com culturas de tabaco cultivadas intensivamente, no sul do Brasil, vêm afetando a qualidade da água e aumentando a erosão do solo nesta região. A aplicação de grandes quantidades de fertilizantes minerais, maiores do que a exigência da cultura, contribui para a excessiva carga de fósforo nos solos e corpos d'água. A avaliação dos impactos potenciais das mudanças no uso e manejo do solo é fundamental para propiciar uma gestão sustentável dos recursos naturais como solo e água. Neste estudo foram avaliados os processos hidrológicos, a produção de sedimentos e a transferência de fósforo na bacia hidrográfica do Arroio Lino, por meio do modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT). A pequena bacia (4,18 km2 ) localiza-se no sul do Brasil e seu principal uso da terra é a cultura de fumo sob plantio convencional. As vazões e a produção de sedimentos medidos no exutório da bacia foram utilizadas para análise de sensibilidade, calibração e validação dos parâmetros do modelo. Cargas de fósforo em quatro sub-bacias (A1, A2, B, C) e no exutório foram utilizados para a análise de sensibilidade e calibração do modelo. A análise de sensibilidade foi feita com o uso de um algoritmo que combina as técnicas de Hipercubo Latino (LH) e One-factor-At-a-Time (OAT). A calibração foi realizada com o algoritmo Shuffled Complex Evolution (SCE-UA). Análises gráficas e medidas estatísticas foram utilizadas para verificar as previsões do modelo. Adaptações nos parâmetros do modelo foram feitas durante as etapas de calibração e validação, tendo em vista a realidade da região em que a bacia está localizada. Na simulação de vazões mensais obtiveram-se valores do índice de eficiência de Nash e Sutcliffe (NSE) de 0,87 na calibração e 0,76 na validação. Com o intuito de representar melhor os processos de deposição de sedimentos nas encostas, o modelo SWAT foi modificado com a incorporação de um termo de capacidade de transporte de sedimentos na paisagem. Com a nova rotina de sedimentos obteve-se um melhor desempenho durante a calibração (NSE de 0,70) em relação ao modelo SWAT original (NSE de -0,14). As simulações com o modelo modificado foram satisfatórias para o transporte de sedimentos em diferentes posições da paisagem. Os resultados sugerem que a integração da rotina de deposição de sedimentos no SWAT aumenta a precisão do modelo de previsões em áreas mais íngremes e, ao mesmo tempo, melhora significativamente a capacidade de prever a distribuição espacial das áreas de deposição de sedimentos. As previsões de cargas de fósforo foram na ordem de grandeza das cargas medidas; no entanto, o modelo não conseguiu prever satisfatoriamente as cargas de fósforo em três sub-bacias (A1, A2 e B). Apesar das lavouras ocuparem apenas 29% da área total da bacia, de acordo com a simulação elas são a principal fonte de nutrientes na bacia hidrográfica (80%). Após a calibração da vazão, da produção de sedimentos e de fósforo, foi realizada a simulação de cenários de manejo do solo na bacia hidrográfica do Arroio Lino. Três cenários de práticas de manejo: preparo convencional (PC), cultivo mínimo (CM) e plantio direto de cultivo (NT) com redução de 50% da taxa de aplicação de fertilizantes foram testados durante um período de 30 anos. A prática de plantio direto não afetou significativamente o escoamento, no entanto afetou fortemente a produção de sedimentos devido à redução da erosão do solo. Houve redução das perdas de fósforo principalmente devido à redução das doses de fertilizantes. Os resultados indicam que as práticas de preparo convencional do solo deveriam ser substituídas por práticas de cultivo mínimo ou direto, a fim de minimizar os impactos ambientais causados por um determinado uso do solo.

Neste trabalho avaliou-se o impacto de possíveis cenários de mudanças climáticas sobre os recursos hídricos na bacia do Rio Ibicuí (35,158.43 Km².) afluente da margem esquerda do rio Uruguai em território brasileiro. Os impactos de mudanças climáticas na bacia do Rio Ibicuí foram avaliados através do uso de um modelo hidrológico, analises de sensibilidade de vazão e cenários de mudanças climáticas. As analises de sensibilidade mostraram que as vazões mínimas são menos sensíveis a mudanças de precipitação do às médias e máximas. Cenários de mudanças climáticas para o ano de 2050 (janela de 30 anos centrada em 2050) foram obtidos através do gerador de cenários MAGICC/SCENGEN, que considera resultados de vinte modelos climáticos globais (GCM’s) e três cenários de emissão de gases de efeito estufa. A totalidade dos resultados indicaram aumento da temperatura, porém divergências quanto aos resultados de referentes a precipitação. Alguns dos GCM’s indicaram diminuição da precipitação média anual enquanto outros indicaram o aumento desta variável. Os resultados mensais de modificação na temperatura e precipitação média previstos para 2050 na região da bacia do Ibicuí, obtidos pelos vinte GCMs para cada um dos três cenários, foram utilizados para perturbar as séries observadas e simular o impacto sobre o regime hidrológico através do modelo MGB-IPH. As incertezas relacionadas às projeções de anomalias de precipitação e temperatura, previstas pelo conjunto de 20 GCM’s, foram amplificadas ao avaliar o impacto de mudanças climáticas no regime de vazões. The impact of possible climate change scenarios on water resources in the Ibicui River basin was assessment in this work. The Ibicui River (35,158.43 Km²) is tributary of Uruguay River and it is located on border of southern of Brazil. The impacts of climate change on the Ibicui River basin were evaluated using a large scale distribuited hydrological model, sensitivity analyses and climate change scenarios. Sensitivity analyses showed that minimum discharges in the Ibicui River are less sensitive to change in mean precipitation when compared to maximum and mean discharge. Climate change scenarios for 2050 (30-years time interval centered in 2050) was obtained through a climate scenario generator, MAGICC/SCENGEN, considering the results from twenty general circulation models (GCM’s) and three emission scenarios of greenhouse gas emissions. Results indicate an increase in the annual mean temperature, but divergences about precipitation. Some GCM’s indicated increase in the annual mean precipitation while others indicated decrease. The hydrological impact of all projections of climate change for 2050 was simulated using the MGB-IPH model, by perturbing the observed times series of temperature and precipitation according to relative changes projected by GMC’s. The uncertainties in projected climate changes are amplified in the hydrological results.

A vegetação tropical é uma das maiores fontes de evapotranspiração e desempenha um papel importante na dinâmica climática global e nos processos de produtividade primária de ecossistemas terrestres, uma vez que se encontra diretamente ligada aos processos de transferência de massa e energia. Objetivou-se nesta tese de doutorado avaliar a acurácia das estimativas de ET baseadas em modelos de sensoriamento remoto quando comparadas a medições pontuais obtidas a partir de torres de fluxo e a partir do fechamento do balanço hídrico a médio e longo prazo. Foram selecionados dois modelos: para escalas locais e regionais usou-se o algoritmo SEBAL, enquanto que para escalas continentais e globais utilizou-se o algoritmo MOD16. Em relação ao algoritmo SEBAL, a metodologia empregada apresentou bons resultados tanto nas estimativas pontuais dos fluxos de calor latente quanto em relação ao fechamento do balanço hídrico em grandes áreas. Em relação ao algoritmo MOD16, verificou-se que as estimativas de evapotranspiração apresentam melhores resultados a longo prazo e em grandes áreas. As análises aqui realizadas sugerem que os algoritmos SEBAL e MOD16 podem capturar razoavelmente bem as respostas da vegetação em relação à variabilidade espacial e temporal em larga escala. Considerando que esses algoritmos podem ser aplicados desde escalas regionais até escalas globais, os resultados estão em um intervalo aceitável de acurácia, indicando um potencial significativo no monitoramento espacial e temporal do processo de ET de forma contínua e sistemática a partir de informações obtidas por sensoriamento remoto. Tropical vegetation is a major source of global land surface evapotranspiration (ET) and plays an important role in the global climate dynamics and in the processes of primary production of terrestrial ecosystems, since it is directly linked to the mass transfer and energy balance. The aim of this doctoral thesis was to evaluate the accuracy of ET estimates based on remote sensing models when compared to measurements obtained from flux towers and hydrological models. Two algorithms were selected: for local and regional scales SEBAL was used, while for continental and global scales, MOD16 was adopted. Regarding SEBAL algorithm, the applied methodology showed that significant results were achieved in both latent heat flux and water balance over large areas. Concerning MOD16 algorithm, the research suggested that evapotranspiration estimates showed better results in the long-term and in large areas. The analysis suggests that MOD16 and SEBAL algorithms can capture reasonably well the responses of vegetation in relation to spatial and temporal variability on a large scale. Taking into consideration that these algorithms can be applied from regional to global scales, the results are in an acceptable range of accuracy, indicating a significant potential for monitoring evapotranspiration using remote sensing data.

As estimativas de chuva por meio do sensoriamento remoto são, atualmente, fonte potencialmente útil para as mais diversas aplicações hidrológicas e climatológicas, especialmente em regiões onde as medições convencionais são escassas, como a Amazônia. Neste trabalho, foram analisadas as estimativas de chuva por satélite como variáveis de entrada ao modelo hidrológico MGB-IPH (Collischonn, 2001). Este modelo simula o ciclo hidrológico através das relações físicas e conceituais de todo processo, sendo os produtos de chuva por satélite avaliados o 3B42, 3B42RT e CMORPH. A primeira área de estudo é a bacia do rio Huallaga localizada dentro do território do Peru, região caracterizada por ter uma topografia complexa e pertencente a uma das nascentes do rio Amazonas. A segunda avaliação foi feita para a bacia do rio Amazonas, sendo esta caracterizada por ter uma grande variabilidade climatológica a diferentes altitudes e regimes hidrológicos diferentes, além de uma pobre distribuição de postos pluviométricos. No caso da bacia do rio Huallaga foram realizadas comparações da chuva média estimada por satélite com observada em intervalos de tempo diário, mensal, sazonal e anual. Estes resultados mostram que os produtos 3B42 e CMORPH subestimam valores médios da bacia comparada com chuva média ponderada por pluviômetros. Na simulação da bacia do rio Huallaga se efetuaram calibrações dos parâmetros para cada fonte de chuva resultando com melhor ajuste de vazões máximas para o produto CMORPH e pior ajuste para o produto 3B42, estes ajustes melhoraram para a chuva do produto CMORPH corrigido com estações pluviométricas. Por outra parte, no caso de análises da bacia do rio Amazonas, foi calculada a chuva média anual para os três produtos de satélite (3B42, 3B42RT e CMORPH), os resultados mostraram maior chuva média a favor de CMORPH, seguido de 3B42RT e finalmente o produto 3B42. A simulação da bacia do rio Amazonas mostrou melhores coeficientes de Nash-Sutcliffe com o produto 3B42 em várias estações do Brasil. Com o produto 3B42RT mostram melhores coeficientes nas estações localizadas na rede principal do rio Amazonas, e com o produto CMORPH mostrou melhores coeficientes em algumas estações como na bacia dos rios Tapajós (Brasil) e Urubamba (Peru). Currently, satellite rainfall estimates using remote sensing are a potential source of information for hydrological and climatological applications. It applies mainly for regions where conventional measurements are scarce such as the Amazon Basin. In this work, the satellite rainfall estimates were analyzed as input variables to the hydrological model MGBIPH (Collischonn, 2001). This model simulates the hydrological cycle through physical and conceptual relationships where products 3B42, 3B42RT and CMORPH are evaluated. The first evaluation case corresponds to the Huallaga basin located in Peru, being one of the current Amazon highlands characterized by a complex topography. The second evaluation case corresponds to the Amazon basin characterized by a great climatological variability at different altitudes, different hydrological regimes and poor distributions of raingauges. In the case of the Huallaga River basin, comparisons were made between the estimated average satellite rainfall and the observed rainfall for different intervals of time (daily, monthly, seasonal and annual). These results show that the products 3B42 and CMORPH underestimate the basin average rainfall when compared with the weighted average of raingauge measurements. During the Huallaga basin simulation, calibrations of some parameters for each rainfall data were realized. Obtaining the best and worst fitting results with the CMORPH and 3B42 products for the case of maximum discharges, respectively. This rainfall fitting improves for the CMORPH product when raingauge corrections are included. On the other hand, the annual average rainfall value was obtained for each satellite product (3B42, 3B42RT e CMORPH) for the analysis of the Amazon basin. In this calculation, the greater results for the annual average rainfall values are obtained in the following order CMORPH, 3B42RT and 3B42. Moreover, this simulation seems to yield best Nash-Sutcliffe coefficients for the 3B42 product for various Brazilian stations. For stations located in the main stream of the Amazon River the Nash-Sutcliffe coefficients obtained with the 3B42RT product are the best. The CMORPH product yield the best coefficients for the stations located in Tapajós (Brazil) and Urubamba (Peru) basin.

Na maior parte dos ecossistemas aquáticos a respiração excede a produção primária bruta autóctone, acarretando uma produção líquida de ecossistema negativa. Estudos recentes atribuem essa condição a processos de degradação de matéria orgânica alóctone, portanto o ciclo do carbono em corpos de água interiores deve estar pareado com o aporte de carbono orgânico originado na bacia hidrográfica. Este trabalho contribui para a melhor compreensão dos processos atuantes no ciclo de carbono em bacias hidrográficas, por meio de monitoramento de dados de campo, desenvolvimento e aplicação de modelagem matemática e simulação numérica. O estudo foi realizado utilizando dados de monitoramento na bacia hidrográfica do Rio Ijuí localizada no planalto meridional gaúcho. A exportação fluvial de carbono orgânico e inorgânico foi estimada a partir de dados de vazão e concentração. Um modelo baseado em processos para simulação da dinâmica de carbono, MGB-IPH-C, foi desenvolvido e acoplado ao modelo hidrológico MGB-IPH. O modelo hidrológico foi ajustado em diversos pontos de controle na bacia hidrográfica do Ijuí obtendo-se bons resultados, principalmente para as bacias de maior porte (>1000 km2). O modelo de carbono foi avaliado qualitativamente considerando a representação de processos conceituais e, quantitativamente, pela comparação das concentrações e fluxos simulados em relação aos obtidos pelos dados do monitoramento. Não foi possível identificar associações diretas entre as concentrações de carbono inorgânico ou orgânico e vazão, com base nos dados medidos em campo. As cargas médias de carbono nas bacias estudadas apresentaram valores abaixo da média global, na ordem de 25-40 kg.ha-1.ano-1 e 8-10 kg.ha-1.ano-1, para as frações inorgânica e orgânica, respectivamente. O MGB-IPH-C representou processos conceituais esperados, em especial, a acumulação no solo e o efeito da lavagem das águas sobre a concentração dos rios. Foi possível obter bons ajustes em escala anual para as cargas e concentrações médias de carbono na bacia de estudo. A simulação da dinâmica de carbono em ecossistemas aquáticos em pareamento com a bacia hidrográfica utilizando modelos conceituais determinísticos contribui para o entendimento dos processos operantes nesses sistemas e deve ser complementada por meio de análise de dados de monitoramento, em freqüência adequada à escala, com métodos empíricos. In most aquatic ecosystems respiration exceeds autochtonous gross primary production leading to a negative net ecosystem production. Recent studies attributes this condition to allochtonous organic matter degradation processes, so the inland water carbon cycle should be linked to the input of organic carbon from the catchment. This work contributes to a better comprehension of processes operating in the carbon cycle in river basins, throughout development and application of mathematical modeling and numerical simulation. The study was conducted using data of the Ijuí river watershed, located in the Planalto Meridional Gaúcho. Fluvial exports of organic and inorganic carbon were estimated from data measured in field. A process-based model for carbon dynamics simulation, MGB-IPH-C, was developed and coupled to the hydrological model MGB-IPH. The hydrological model was calibrated to various control points in the Ijui river basin with good results, especially in larger subwatersheds (>1000 km2). The carbon model was evaluated considering the representation of carbon dynamics conceptual processes and by comparison of observed carbon concentrations and export rates obtained by simulation and monitoring data. The estimates of annual export of carbon in the study area were below the global average, in magnitude of 25-40 kg/ha.yr and 8-10 kg/ha.yr for inorganic and organic carbon, respectively. The proposed carbon model, MGB-IPH-C, was able to simulate expected conceptual processes, in particular, the build-up on soil and the effect of wash-off on carbon concentration in river reaches. It was possible to obtain good fits for annual average carbon fluvial export rates and concentrations. The simulation of carbon dynamics in inland waters coupled with the watershed using conceptual deterministic models contributes to the understanding of processes operating on these systems and may be complemented throughout analysis of field data, at frequency appropriated to the scale, with empirical methods.

Esse trabalho identificou, testou e aprimorou modelos de propagação de vazão simplificados a fim de verificar as vantagens e desvantagens dos modelos. As soluções apresentadas por esses modelos foram testadas com um modelo hidrodinâmico completo, considerado nesse trabalho como resultados ideias. Os modelos hidrodinâmicos simplificados testados foram: Um modelo não linear de Onda Cinemática, o modelo Muskingum-Cunge linear, duas versões do modelo Muskingum-Cunge não linar, o modelo Muskingum-Cunge modificado por Todini e o modelo IPHS1. O modelo hidrodinâmico completo utilizado nesse trabalho foi o modelo HEC-RAS. Desenvolveu-se ainda uma metodologia para representar o efeito da planície de inundação. Essa metodologia foi implementada nos modelos hidrodinâmicos simplificados. Para avaliar o comportamento dos diferentes modelos de propagação disponíveis foram criados testes numéricos em que foram aplicados os diferentes modelos, com variação de características dos hidrogramas sintético de entrada, das características do leito do rio e da planície de inundação, e dos critérios de discretização temporal e espacial. A avaliação dos resultados foi feita através dos erros de conservação de volume, de vazão de pico e de tempo de ocorrência da vazão de pico. Além disso, também foram considerados, em alguns testes, os critérios de aplicabilidade de Ponce para onda cinemática e difusão além da formulação do Δx ideal proposto por Fread. Os resultados mostram que o modelo Muskingum-Cunge Todini, modificado para representar o efeito da planície de inundação, é muito promissor. Esse modelo apresentou resultados que se aproximaram muito dos resultados obtidos pelo HEC-RAS, enquanto os outros modelos hidrodinâmicos simplificados apresentaram resultados piores. Com relação aos critérios de aplicabilidade, recomenda-se o uso de um Δx três vezes menor do que o valor sugerido por Fread. Além disso, pode-se concluir que os modelos simplificados podem ser utilizados fora dos limites de aplicabilidade sugeridos por Ponce. This work has identified, tested and improved simplified flood routing models to verify the advantages and disadvantages presented. The solutions provided by these models were tested by using a full hydrodynamic model considered in this work as an ideal result. The simplified hydrodynamic models used were: A variable parameter kinematics wave model, the Muskingum-Cunge flood routing model, the variable parameter Muskingum-Cunge flood routing model (three and four points scheme) the Muskingum-Cunge modified by Todini (MCT) and the model IPHS1. The full hydrodynamic model used was HEC-RAS. It was also proposed a procedure to represent the effect of the floodplain rivers. To evaluate the behavior of different flood routing models numerical tests were created and were applied to then. The characteristics of synthetic inflow hydrographs, the characteristics of riverbed and floodplain, and the criteria for temporal and spatial discretization were perturbed. The evaluation of the results was made through the errors of conservation of volume, peak flow and time of occurrence of peak flow. Moreover, it was also considered, in some tests, applicability criteria recommended by some authors for different models, such as models of kinematic flood wave and diffusive flood wave. The results show that the Muskingum Cunge Todini, modified to represent the effect of the floodplain flow is very promising. Finally, it is also shown that this model closely approaches the full Saint Venant equation solution (HEC-RAS). The others models were worse than HEC-RAS and MCT. About applicability criteria, it recommends the use of the Δx three times smaller than the value suggested by Fread. Moreover, the simplified hydrodynamic models can be used outside limits of applicability suggested by Ponce about kinematic and diffusive wave.

Além de conhecer o comportamento hidrológico atual de um sistema de rios e planícies, é importante poder prever seu comportamento futuro frente a possíveis impactos decorrentes de atividades antrópicas e face a cenários de variabilidade climática. A modelagem matemática constitui a ferramenta ideal para esse propósito. No caso de sistemas hidrológicos de grande escala, caso o interesse do estudo seja simular padrões espaçotemporais de inundação na planície, as metodologias tradicionais atualmente empregadas não são adequadas. Nesta Tese é apresentado um sistema computacional de simulação desenvolvido com esse propósito, o qual é composto pelo acoplamento de um modelo hidrodinâmico 1D (modelo IPH4), aplicado para simular o escoamento na calha principal dos rios, e um modelo 2D do tipo raster, para a simulação da inundação na planície. Esse modelo discretiza a planície em uma grade regular e simula o escoamento pela planície conforme a topografia e a diferença de níveis de água entre elementos da grade. Um módulo específico simula as trocas laterais canal e planície, conforme a diferença de nível de água, as quais podem acontecer ao longo de toda a extensão dos canais. Outro módulo realiza o balanço vertical entre precipitação e evapotranspiração na planície. Um conjunto de rotinas computacionais foi desenvolvido para agilizar a preparação dos dados de entrada de forma coerente e georreferenciada, principalmente quanto à conexão entre as discretizações do canal e da planície. Como estudo de caso, foram simulados 3965 km de canais de drenagem e 219.514 km2 de planícies (Pantanal) da Bacia do Alto Paraguai, por um período de 11 anos e 4 meses (set/1995 a dez/2006). A despeito da escassez de dados para caracterização física, os resultados obtidos foram satisfatórios, tanto em termos do regime de vazões e variação de nível d’água nos canais de drenagem quanto em termos de áreas inundadas e padrões espaçotermporais de inundações na planície. Nesse último aspecto, o sistema desenvolvido foi capaz de simular o pulso sazonal de inundação do Pantanal. Foram obtidos valores de área inundada coerentes com estimativas de outros autores e manchas de inundação que diferenciaram áreas permanentemente inundadas, devido ao extravasamento de água dos canais, daquelas áreas inundadas sazonalmente pela ocorrência de precipitação. Esse resultado evidenciou a necessidade da consideração dos processos hidrológicos verticais para a simulação das inundações sazonais. Estatísticas de desempenho obtidas pela comparação entre manchas de inundação simuladas e estimadas por satélite em outro estudo foram consideradas equivalentes às obtidas na literatura para estudos de planícies de menor escala e com maior disponibilidade de dados. Besides understanding the current hydrologic behavior of a river and floodplain drainage system, it is important to be able to predict its future conditions in light of possible impacts due to anthropogenic activities and climate variability. Mathematical modeling is the ideal tool for this purpose. For large scale hydrologic systems, if the objective is to simulate spatiotemporal inundation patterns over floodplain, the traditional methodologies currently being used are not adequate. This Thesis presents a computational simulation system developed for this purpose, which is composed by coupling a 1D-hydrodynamic model (IPH4 model), to simulate flow routing along main channels, and a 2D-raster based model, to simulate floodplain inundation. This floodplain model discretizes the floodplain into a regular grid and simulates the flow over floodplain according with its topography and water level differences between grid elements. A specific module simulates lateral water exchanges between channel and floodplain according with water level differences, which may occur along the whole channel flowpath. Another module performs the vertical water balance between precipitation and evapotranspiration over floodplain. A set of computational routines was developed aimming at facilitating input data preparation in a coherent and georreferenced way, mainly focused on establishing connections between channel and floodplain discretizations. As study case, a total of 3965 km of main channels and of 219.514 km2 of floodplains (Pantanal) of the Upper Paraguay River Basin was simulated for a period of 11 years and 4 months (set/1995 to dez/2006). In spite of data scarcity regarding physical characteristics, the results obtained were satisfactory, in terms of flow regime and water level variation in main channels and also in terms of inundated areas and spatio-temporal inundation patterns over floodplain. Regarding this last issue, the developed system was able to simulate the Pantanal seasonal flood pulse. Calculated inundated areas were coherent with estimates from others authors, and in the inundation maps obtained it was possible to distinguish permanent flooded areas, due to main channel flow spilling, from areas seasonally inundated due to precipitation. This result showed the importance of taking into account the vertical hydrologic proccesses for simulating seazonal floodplain inundation. Performance measures obtained by comparing simulated floodplain maps with those from other study estimated using satellite images were considered similar to the reported values in literature, which in turn refer to modeling lower scale sites with larger data availability.

Devido à proximidade de grandes cidades, ecossistemas aquáticos são alvos de despejos industriais, esgotos domésticos e resíduos sólidos. Modelos matemáticos são largamente utilizados para entender os padrões de fluxo e o transporte de substâncias nestes ecossistemas. Neste trabalho, desenvolveu-se um modelo hidrodinâmico e de transporte de poluentes bidimensional para corpos d’água rasos que utiliza grades não estruturadas. O modelo foi desenvolvido em dois módulos: hidrodinâmico e de transporte de massa. O módulo hidrodinâmico utiliza as equações completas de Saint Venant para quantificação da circulação em corpos d’águas. No módulo hidrodinâmico aqui desenvolvido é feito um aperfeiçoamento de um esquema semi-implícito de diferenças finitas utilizado no modelo IPH-ECO para um esquema semi-implícito de volumes finitos. O módulo de transporte de massa, por sua vez, representa o transporte de um escalar conservativo sob influência dos processos físicos do meio. Dois esquemas foram empregados e comparados para a solução numérica da equação de transporte: um esquema de diferenças centrais e um esquema com limitador de fluxo. O modelo foi aplicado em um estudo de caso simplificado formado por uma lagoa circular e no rio Guaíba. O módulo hidrodinâmico foi avaliado através de testes de conservação de volume feitos comparando com os resultados encontrados nno modelo IPHECO na aplicação realizada na lagoa circular e na solução analítica no rio Guaíba. O módulo hidrodinâmico do modelo de grades não estruturadas (IPH-UnTRIM2D) mostrou-se mais conservativo que o modelo IPH-ECO em todos os cenários simulados na lagoa circular. A solução hidrodinâmica e de transporte do modelo de grades não estruturadas no estudo de caso idealizado no rio Guaíba representou meandros, sulcos, estreitamentos e alargamentos de canais com comprometimento com uma situação real. Quanto à simulação de transporte de escalares e poluentes, foi comprovada a eficiência do esquema com limitador de fluxo sobre os esquemas de diferenças centrais. Os testes de conservação de massa para diferentes cenários no rio Guaíba indicaram erros pouco significativos em ambos os esquemas quando comparados com a ordem de grandeza do ecossistema. Aquatics ecossistems around large towns are always exposed waste domestic and industrial and solid residues. Mathematical models are widely used to understand flow patterns and transport of mass in these ecosystems. In this work a model was developed on unstructured two-dimensional complex dynamic model for shallow lakes. The model was divided in two modules: (a) hydrodynamic module, describing quantitative flows and water level; (b) a mass transport module. The hydrodynamic module solves Saint Venant equations to quantify water circulation in a water body. Futhermore, the hydrodynamic module was improved to semiimplicit finite volume scheme. The mass transport module represents transport of a conservative scalar under the physical processes influence. Two schemes were used and compared to the transport equation numerical solution : a central difference scheme and a flux limiter scheme. The model was applied in the circular lake and river Guaíba. The hydrodynamic module was validated by evaluating tests of volume conservation made comparing with results of the model IPH-ECO and analytical solution. It proved to be more conservative than the model IPH-ECO in all scenarios simulated in the circular lake. The hydrodynamic and transport solution in river Guaíba study case represented bends, grooves, and channels widening and narrowing. In the transport simulation, the flux limiter scheme was more efficient than central differences scheme. Futhermore, mass conservation tests for different scenarios in Guaíba indicated minor errors in both schemes when compared with ecosystem magnitude.

Para expedir uma outorga de direito de uso da água, é necessário que técnicos do órgão responsável verifiquem se existe capacidade do corpo hídrico de atender a demanda solicitada (captação ou lançamento), considerando os demais usos já existentes e a hidrologia local. Em muitos casos, no Brasil e em outros países, as análises e os cálculos necessários para esta verificação ainda são feitos de forma manual, utilizando mapas em papel e planilhas de cálculo não integradas a Sistemas de Informação Geográfica. Este trabalho apresenta uma metodologia baseada na integração de SIG e modelos hidrológicos para a análise de pedidos de outorga de uso da água. A metodologia envolve 1) a utilização de SIG para pré-processamento de dados visando a aplicação de um modelo hidrológico chuva-vazão; 2) a aplicação do modelo chuva-vazão para gerar estimativas da vazão de referência adotada como disponibilidade hídrica em cada trecho de rio em que é dividida a bacia; 3) a transferência dos resultados do modelo hidrológico de volta ao SIG; e 4) a aplicação de um Sistema de Suporte a Decisão no qual cálculos simples de balanço hídrico são realizados internamente em um SIG. É apresentado um teste da metodologia na bacia do rio dos Sinos, no Rio Grande do Sul, região na qual há um comprometimento elevado da disponibilidade hídrica de referência. Os resultados no estudo de caso mostraram que é possível aprimorar a metodologia de análise de outorga ao integrar SIG e modelagem hidrológica. In order to grant water rights to its user, it is necessary that technicians from the institution in charge verify if there is indeed the capability from the water body to overtake the requested demands (withdrawal or effluent disposal), considering other existing uses and local hydrology. In many cases in Brazil and other countries, the required analyses are still largely made by hand, using paper maps and spreadsheets not integrated to Geographic Information Systems (GIS). This work presents a methodology based on the integration of GIS and hydrological models for analyzing and granting water rights requests. This methodology implies: 1) the use of GIS for data pre-processing and by means of using an hydrological rainfall-runoff model; 2) the application of this rainfall-runoff model to estimate the water discharge availability that can be used as a reference for every reach of the river in which the basin is divided; 3) the transfer of the hydrological model results back to the GIS; and 4) the application of a Decision Support System in which simple calculations of water balance are done entirely in GIS environment. The presented methodology was applied to the case of the Rio dos Sinos basin, in Rio Grande do Sul, Brazil, a region where water demands exceed availability. Results of this case study showed that it is possible to improve the methodology used to analyze the granting of water rights when GIS and hydrological models are integrated.

Diversas atividades humanas são fortemente dependentes do clima e da sua variabilidade, especialmente aquelas relacionadas ao uso da água. A operação integrada de reservatórios com múltiplos usos requer uma série de decisões que definem quanta água deve ser alocada, ao longo do tempo para cada um dos usos, e quais os volumes dos reservatórios a serem mantidos. O conhecimento antecipado das condições climáticas resulta de vital importância para os operadores de reservatórios, pois o insumo dos reservatórios é a vazão dos rios, que por sua vez é dependente de condições atmosféricas e hidrológicas em diferentes escalas de tempo e espaço. A pesquisa trata sobre três importantes elementos de subsídio à tomada de decisão na operação de reservatórios baseada na previsão de variáveis hidrológicas: (a) as previsões de vazão de curto prazo; (b) as previsões de precipitação de longo prazo e (c) as medidas de desempenho das previsões. O reservatório de Furnas, localizado na bacia do Rio Grande, em Minas Gerais, foi selecionado como estudo de caso devido, principalmente, à disponibilidade de previsões quantitativas de chuva e pela importância desse reservatório na região analisada. A previsão de curto prazo de vazão com base na precipitação foi estimada com um modelo empírico (rede neural artificial) e a previsão de precipitação foi obtida pelo modelo regional ETA. Uma metodologia de treinamento e validação da rede neural artificial foi desenvolvida utilizando previsões perfeitas de chuva (considerando a chuva observada como previsão) e utilizando o maior número de dados disponíveis, favorecendo a representatividade dos resultados obtidos. A metodologia empírica alcançou os desempenhos obtidos com um modelo hidrológico conceitual, mostrando-se menos sensitiva aos erros na previsão quantitativa de precipitação nessa bacia. Os resultados obtidos mostraram que as previsões de vazão utilizando modelos empíricos e conceituais e incorporando previsões quantitativas de precipitação são melhores que a metodologia utilizada pelo ONS no local de estudo. A redução dos erros de previsão relativos à metodologia empregada pelo ONS foi em torno de 20% quando usadas previsões quantitativas de precipitação definidas pelo modelo regional ETA e superiores a 50% quando usadas previsões perfeitas de precipitação. Embora essas últimas previsões nunca possam ser obtidas na prática, os resultados sugerem o quanto o incremento do desempenho das previsões quantitativas de chuva melhoraria as previsões de vazão. A previsão de precipitação de longo prazo para a bacia analisada foi também estimada com um modelo empírico de redes neurais artificiais e utilizando índices climáticos como variáveis de entrada. Nesse sentido, foram estimadas previsões de precipitação acumulada no período mais chuvoso (DJF) utilizando índices climáticos associados a fenômenos climáticos, como o El Niño - Oscilação Sul e a Oscilação Decadal do Pacífico, e a modos de variabilidade climática, como a Oscilação do Atlântico Norte e o Modo Anular do Hemisfério Sul. Apesar das redes neurais artificiais terem sido aplicadas em diversos problemas relacionados a hidrometeorologia, a aplicação dessas técnicas na previsão de precipitação de longo prazo é ainda rara. Os resultados obtidos nesse trabalho mostraram que consideráveis reduções dos erros da previsão relativos ao uso apenas da média climatológica como previsão podem ser obtidos com a metodologia utilizada. Foram obtidas reduções dos erros de, no mínimo 50%, e chegando até um valor próximo a 75% nos diferentes testes efetuados no estudo de caso. Uma medida de desempenho da previsão foi desenvolvida baseada no uso de tabelas de contingência e levando em conta a utilidade da previsão. Essa medida de desempenho foi calculada com base nos resultados do uso das previsões por um modelo de operação de reservatório, e não apenas na comparação de vazões previstas e observadas. Nos testes realizados durante essa pesquisa, ficou evidente que não existe uma relação unívoca entre qualidade das previsões e utilidade das previsões. No entanto, em função de comportamentos particulares das previsões, tendências foram encontradas, como por exemplo nos modelos cuja previsão apresenta apenas defasagem. Nesses modelos, a utilidade das previsões tende a crescer na medida que a qualidade das mesmas aumenta. Por fim, uma das grandes virtudes da medida de desempenho desenvolvida nesse trabalho foi sua capacidade de distinguir o desempenho de modelos que apresentaram a mesma qualidade. Several human activities are strongly dependent on climate and its variability, especially those related to water use. The operation of multi-purpose reservoirs systems defines how much water should be allocated and the reservoir storage volumes to be maintained, over time. Knowing in advance the weather conditions helps the decision making process, as the major inputs to reservoirs are the streamflows, which are dependent on atmospheric and hydrological conditions at different time-space scales. This research deals with three important aspects towards the decision making process of multi-purpose reservoir operation based on forecast of hydrological variables: (a) short-term streamflow forecast, (b) long-range precipitation forecast and (c) performance measures. The Furnas reservoir on the Rio Grande basin was selected as the case study, primarily because of the availability of quantitative precipitation forecasts from the Brazilian Center for Weather Prediction and Climate Studies and due to its importance in the Brazilian hydropower generation system. Short-term streamflow forecasts were estimated by an empirical model (artificial neural network – ANN) and incorporating forecast of rainfall. Quantitative precipitation forecasts (QPFs), defined by the ETA regional model, were used as inputs to the ANN models. A methodology for training and validating the ANN models was developed using perfect precipitation forecasts (i.e., using the observed precipitation as if it was a forecast) and considering the largest number of available samples, in order to increase the representativeness of the results. The empirical methodology achieved the performance obtained with a conceptual hydrological model and seemed to be less sensitive to precipitation forecast error relative to the conceptual hydrological model. Although limited to one reservoir, the results obtained show that streamflow forecasting using empirical and conceptual models and incorporating QPFs performs better than the methodology used by ONS. Reduction in the forecast errors relative to the ONS method was about 20% when using QPFs provided by ETA model, and greater than 50% when using the perfect precipitation forecast. Although the latter can never be achieved in practice, these results suggest that improving QPFs would lead to better forecasts of reservoir inflows. Long-range precipitation forecast was also estimated by an empirical model based on artificial neural networks and using climate indices as input variables. The output variable is the summer (DJF) precipitation over the Furnas watershed. It was estimated using climate indices related to climatic phenomena such as El Niño - Southern Oscillation and the Pacific Decadal Oscillation and modes of climate variability, such as the North Atlantic Oscillation and the Southern Annular Mode. Despite of ANN has been applied in several problems of hydrometeorological areas, the application of such technique for long-range precipitation forecast is still rare. The results obtained demonstrate how the methodology for seasonal precipitation forecast based on ANN can be particularly helpful, with the use of available time series of climate indices. Reductions in the forecast errors achieved by using only the climatological mean as forecast were considerable, being at least of 50% and reaching values close to 75% in several tests. A performance measure based on the use of contingency tables was developed taking into account the utility of the forecast. This performance measure was calculated based on the results of the use of the forecasts by a reservoir operation model, and not only by comparing streamflow observed and forecast. The performed tests show that there is no unequivocal relationship between quality and utility of the forecasts. However, when the forecast has a particular behavior, trends were found in the relationship between utility and quality of the forecast, such as models that generate streamflow forecast with lags in comparison to the observed values. In these models, the utility of the forecasts tends to enhance as the quality increases. Finally, the ability to distinguish the performance of forecast models having similar quality was one of the main merits of the performance measure developed in this research.

A pressão exercida sobre os recursos hídricos nas ultimas décadas, principalmente por setores como irrigação, abastecimento público, indústria e geração de energia tem sido um dos principais fatores para ampliar as bases de discussão sobre a importância da manutenção de uma parcela de água nos rios para garantir a sua integridade ecológica. Vazão ecológica foi o termo utilizado neste trabalho para definir a parcela a ser mantida nos cursos d’água, para esse fim. Dessa forma, este trabalho tem como objetivo avaliar as limitações do critério de vazão ecológica do Estado do Tocantins, tendo como estudo de caso as Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCHs Agrotrafo e Palmeiras na bacia hidrográfica do rio Palmeiras-TO, a qual reúne condições adequadas para o escopo do trabalho, além de ser o único dos sete aproveitamentos hidrelétricos do rio Palmeiras a gerar energia a partir de um Trecho de Vazão Reduzida – TVR, é atualmente a bacia com maior vocação para a geração de energia no Estado. Para alcançar o objetivo proposto para o trabalho, a metodologia foi dividida em três etapas: a) levantamento das características das PCHs Agrotrafo e Palmeiras, b) levantamento da caracterização e limites de uso e manutenção de água na bacia, c) disponibilidade de informações hidrológicas a serem utilizadas. A partir da aplicação da metodologia foi possível identificar quatro categorias de limitações: i) limitações de ordem hidrológica, neste caso como a vazão de referência para outorga é um valor fixo com base na Q90, em determinadas épocas do ano, inclusive em período de cheia, a vazão natural é menor que a Q90; ii) limitações de ordem econômica, que indicam que caso o órgão outorgante estadual resolva seguir com rigor o que estabelece o critério de vazão ecológica, onde cada usuário tem direito de captar 25% de 75% da Q90 haveria uma drástica redução da energia a ser gerada em Agrotrafo e Palmeiras, podendo tornar o aproveitamento inviável economicamente; iii) limitações de ordem ambiental, considerando que a vazão ecológica com base em um valor fixo não leva em consideração aspectos da sazonalidade do regime de vazões, podendo haver um intenso desequilíbrio, principalmente no TVR, afetando hábitos alimentares e de migração espécies de peixes e organismos aquáticos, bem como comunidades ribeirinhas, aspectos paisagísticos e prática de esportes de corredeiras; e, iv) limitações de ordem legal ao não estabelecer uma solução operacional viável quando há disputa entre usuários, principalmente quanto à ordem de prioridade dos usos. The pressure on the water resources in the last decades, mainly by sectors as irrigation, utility, industry and energy generation have been one of the main factors to enlarge the basis for discussion about the importance of maintaining a portion of water in rivers to ensure its ecological integrity. Ecological flow was the term used in this work to define that portion to be maintained in watercourses. That way, this work is aiming to evaluate the criteria limitations for ecological flow in Tocantins, taking as a case study on the Small Hydroelectric Centrals – “Agrotrafo” and “Palmeiras” in Palmeiras – TO river watershed, which meets appropriate conditions for the work scope, besides being the only one of seven hydropower recoveries in Palmeiras river, to generate energy from a reduced flow section – RFS, and nowadays it`s the watershed with greater vocation for energy generation in Tocantins. To achieve the proposed goal for the work, the methodology was divided into three stages: a) characteristics survey of SHC – “Agrotrafo” and “Palmeiras”; b) characterization survey, use limits and water maintenance in the watershed; c) availability of hydrologic information to be used. From the methodology application was possible to identify four limitations categories: i) hydrologic limitations, in this case as the flow reference for the grant is a fixed value based on “Q90”, at certain times of the year, including in flood times, the natural flow is less than “Q90”; ii) Economic limitations, indicating that if the state licensing agency decides to follow rigorously what establishes the criteria for ecological flow, where each user is entitled to capture 25% of 75% from “Q90” would be a drastic energy reduction to be generated in “Agrotrafo” and “Palmeiras”, can make use uneconomical; iii) Environmental limitations, considering that the ecological flow based on a fixed value does not consider flow regime seasonality, there may be an intense imbalance especially in RFS, affecting feeding habits and migration, fish species and aquatic organisms, as well as riparian communities, landscapes features and river sports; and iv) legal limitations by failing to establish a viable operational solution when there is contention among users, especially regarding the order of uses priority.

Impactos sócio-ambientais negativos têm colocado a gestão do meio ambiente e dos recursos hídricos em cheque. Produção econômica intensiva, especialmente onde existem hidrelétricas, tem conduzido à perda de abundância e riqueza de espécies e conseqüente diminuição de produção de serviços ambientais à sociedade. Em contrapartida, avanços científicos em ecologia têm demonstrado que a conservação de regimes hidrológicos é o caminho para conservação de ecossistemas e para manutenção da produção de serviços ambientais. É neste contexto que cresce em importância a ferramenta de vazões ambientais, que tem como propósito compatibilizar interesses dos diferentes setores de produção, ao manter em corpos d’água regimes hidrológicos que produzam melhores resultados sócio-econômicos com menores impactos ambientais. O objetivo desta pesquisa é propor um método para a escolha de vazões ambientais, especialmente em regiões com escassez de informações ecológicas. O método proposto fundamenta-se na relação de influência direta entre conservação de regimes hidrológicos, conservação de ecossistemas e produção de serviços ambientais. Para isto, as alterações de regimes hidrológicos são quantificadas para qualificar o grau de conservação do ambiente e de produção econômica por serviços ambientais. O método consiste em diagnosticar alterações hidrológicas, elaborar potenciais regras de vazões ambientais, simular numericamente sua aplicação e prognosticar seus impactos via estudos de alteração hidrológica e de produção econômica por atividades antrópicas. A aplicação da metodologia foi dividida em dois estudos de casos. No primeiro, foram analisadas vazões ambientais para o projeto de aproveitamento hidrelétrico de Belo Monte, no rio Xingu, que ainda não sofre de alterações significativas do regime hidrológico. O segundo estudo consistiu do estudo do grau e da extensão de alteração do regime hidrológico pelo aproveitamento múltiplo da Usina de Manso, no rio Manso, afluente ao rio Cuiabá que drena ao Pantanal. Como resultado, o método mostrou ser flexível a diferentes configurações de disponibilidade de informação, além de possibilitar a escolha de vazões ambientais de forma transparente, colaborativa e participativa. A confiabilidade do método, no entanto, depende da representatividade das informações hidrológicas e do grau de incertezas quanto à relação entre alteração hidrológica, degradação de ecossistemas e perda de produção econômica, quando dados ecológicos são escassos. The natural flow paradigm has not been considered in the Brazilian water resources and environmental management systems yet. Environmental flows studies have just been considered by Brazilian scientific community with too few, if any, experimental studies being undertaken. However, such a tool needs to be considered urgently, once environmental flows sustain ecosystem and their environmental services, which are of great importance to society. This thesis aims to propose a method to subsidize environmental flows selection, especially in regions where ecological data is scarce. We have based such method on the direct influential relation between flow regime alteration, ecosystem degradation and environmental services loss, applying hydrologic alteration indices as proxies of ecosystems degradation and environmental services loss. This new method consists on diagnosing hydrologic alteration, developing potential environmental flows rules, numerically simulate them and assessing theirs impacts on hydrologic alteration and economic production by human activities. The method application was split in two case studies in order to use different sets of its techniques. The former study consisted on assessing environmental flows downstream the projected UHE Belo Monte, located in the Xingu river, a tributary to the Amazon river. In this study only one flow station was applied with its “naturalized” flows as a benchmark. The latter study consisted on assessing the degree and extension of APM Manso dam hydrological impacts, located in a tributary to the Brazilian Pantanal. In this study, data from different stations where used as benchmarks. As a result, this hydrological method showed flexibility to work with different information settings, while it could be applied in a transparent, participative and collaborative approach. However, its confidence relies on hydrological data representativity and on the uncertainty over the relation between hydrological alteration, ecosystems degradation and loss of environmental services, when ecological data are scarce.

A modelagem matemática está presente na pratica hidrológica como uma das principais ferramentas utilizadas em projetos de engenharia e avaliações ambientais. Particularmente, os modelos hidrológicos de larga escala têm sido aplicados em avaliações de impactos de mudança da cobertura vegetal e variabilidade climática, e em sistemas de previsão. Entre as limitações destes modelos está a incapacidade de representar o escoamento em áreas muito planas, com extensas áreas inundáveis e efeitos de remanso como nos rios amazônicos. Assim, apresenta-se neste trabalho uma proposta metodológica para simulação hidrológica e hidrodinâmica integrada em grandes bacias. O modelo é baseado no modelo hidrológico MGB-IPH (Collischonn, 2001), no modelo hidrodinâmico 1D IPH-IV (Tucci, 1978) e em procedimentos para extração de parâmetros para o modelo hidrodinâmico principalmente de Modelos Digitais de Elevação (MDEs) a fim de suprir a falta de dados detalhada das calhas fluviais e planícies de inundação. Propõem-se também uma metodologia simplificada para simulação das áreas inundadas. A técnica proposta é na realidade um aperfeiçoamento do modelo MGB-IPH. A metodologia desenvolvida é avaliada através de um estudo de caso na bacia do rio Solimões, que possui cerca de 2.221.990 km2 e é o principal afluente do rio Amazonas. Análises comparativas entre vazões observadas e simuladas em 18 postos fluviométricos mostram a superioridade da metodologia proposta em relação a métodos de propagação de vazões simplificados - representado pelo modelo Muskingum Cunge (MC). Os hidrogramas simulados com o modelo MC são adiantados e com picos erroneamente acentuados. Além disso, conforme a análise dos resultados em 35 postos fluviométricos, o modelo é capaz de fornecer resultados satisfatórios de variação dos níveis d’água. As áreas inundadas simuladas são comparadas com estimativas via sensoriamento remoto de Hess et al (2003) em duas datas distintas, representativas dos períodos de cheia e estiagem e o desempenho do modelo MGB-IPH é satisfatório. Verifica-se que a influência da variação sazonal das áreas alagadas sobre o balanço hídrico não é significativa na bacia do Solimões. Adicionalmente, de acordo com as simulações, o armazenamento na planície de inundação e o termo de pressão são ambos importantes na representação do escoamento nos rios amazônicos visto que parte do armazenamento é devido ao represamento de afluentes de grandes rios. Por fim, o modelo fornece melhores simulações de vazão e resultados adicionais de níveis d’água e áreas inundadas. Assim, espera-se que este possa ser utilizado na representação mais coerente de impactos de mudanças do uso do solo, variabilidade climática e reservatórios, simulação de outros processos como fluxos de sedimentos e qualidade d’água, e em sistemas de previsão hidrológica. The mathematical modeling is present in the hydrological practice as one of the main tools used in engineering projects and environmental assessments. Particularly, the large scale hydrological models have been applied in land use and climate variability impact assessments and in forecast systems. Among the restrictions of these models is partial representation of the hydrodynamics in rivers with large floodplains, low slope and significant backwater effects, as the Amazon rivers. Considering this, an integrated hydrological e hydrodynamic modeling approach for large watersheds is presented. The model is based on the MGB-IPH hydrological model (Collischonn, 2001), the IPH IV 1D hydrodynamic model (Tucci, 1978) and DEM processing procedures for hydrodynamic model parameters extraction due limited river and floodplain detailed data. It is also proposed a simplified methodology for simulation of the flooded areas. The proposed technique is actually an improvement of the MGB-IPH model. The model is evaluated on a case study in the Solimões river basin (2,221,990 km2), the main tributary of the Amazon River. Analysis of simulated and observed discharge of 18 gauge stations show the superiority of the proposed methodology if compared to simplified flow routing methods - represented by the Muskingum Cunge model (MC). The flood waves simulated with the MC model are advanced and have wrongly pronounced peaks. Through the analysis of simulated and observed water levels in 35 gauge stations, it is shown that the model is able to represent water levels variations. The simulated flooded areas are compared with remote sensing estimates of Hess et al (2003) on two time intervals, representing high and low water periods, and the performance of the MGB-IPH model was satisfactory. It is found that the influence of seasonal variation of the flooded areas on the water balance is not significant on the Solimões river basin. Additionally, according to simulations, both floodplain storage and pressure term are important on the hydrodynamics of the Amazon rivers because part of the storage is due backwater effects and storage on floodplain of the major rivers tributaries. Finally, the model provides improved flow simulations and additional outputs - water levels and flooded areas. Thus, it is expected that it can be used in more consistent representation of land use, climate variability and dam impacts, in simulation of other processes such sediment and water quality, and in hydrological forecasting systems.

Esta tese identificou vários aspectos importantes da estrutura trófica e dinâmica de nutrientes em ecossistemas aquáticos sujeitos a perturbações externas, tais como mudanças no nível da água, aumento de carga de nutrientes e matéria orgânica, biomanipulação e clima. Para descrever tais efeitos sobre a estrutura trófica, um complexo modelo ecológico, com base em processos físicos, químicos e biológicos, foi desenvolvido e aplicado em ecossistemas aquáticos tropicais, subtropicais e temperados. Em tais aplicações, uma análise integrada foi empregada considerando a transferência de impactos da bacia para o ecossistema, com a finalidade de entender a real dinâmica dos ecossistemas aquáticos. As simulações revelaram importantes aspectos sobre a estrutura e funcionalidade dos ecossistemas frente as pertubações. Por exemplo, a lagoa Mangueira, um lago raso subtropical no sul do Brasil, pode oscilar entre dois estados alternativos estáveis (alta e baixa transparência da água), dependendo da concentração de ortofosfato e da túrbidez. Foi sugerido também que podem ocorrer profundas alterações na composição do fitoplâncton com a aumento sistemático da concentração de ortofosfato. Foram constatados significativos gradientes horizontais e verticais na estrutura trófica da lagoa Mangueira, indicando a importância de considerar a heterogeneidade espacial em grandes lagos para melhorar a compreensão dos processos ecológicos e padrões. Cenários críticos de simulação indicaram que o aumento da carga de nutrientes afeta negativamente a transparência da água, diferentemente do efeito de mudanças climáticas. Pequenas alterações na estrutura trófica causadas por esses fatores indicam uma forte resistência da lagoa Mangueira. O modelo ecológico também foi útil para descrever a dinâmica do ecossistema, antes e depois da biomanipulação do lago Engelsholm localizado na Dinamarca. Nesse caso, o modelo conseguiu razoavelmente prever a mudança para um estado de alta transparência da após a biomanipulação, entretanto a mudança na composição do fitoplâncton foi muito mais difícil de representar. Além disso, aplicações mais simples também auxiliaram o processo de tomada de decisão e planejamento. A modelagem ecológica aplicada em ecossistemas aquáticos mostrou ser uma alternativa promissora para a gestão integrada dos recursos naturais. This thesis identified several important features of the trophic structure and dynamics of nutrients in ecosystems subjected to external disturbances such as changes in the water level, nutrient and organic matter loading, fish communities and climate. To describe such effects on trophic structure, a complex ecological model, based on physical, chemical and biological processes has been developed and applied in tropical, subtropical and temperate aquatic ecosystems. In such applications, an integrated analysis was employed considering the transfer of impacts from the watershed to the ecosystem, in order to bring closer the understading of the ecosystem dynamics. Simulations revealed important features about system structure and functionality in front of disturbances. For instance, lake Mangueira a subtropical lake in Southern Brazil can oscilate between two alternative steady stables (clear or turbid water), depending orthophosphate concentration and water transparency. It was also suggested that can occurs profound changes in phytoplankton composition from increase of orthophosphate concentration. Horizontal and vertical gradients in the trophic structure are notable in lake Mangueira, indicating the importance to consider spatial heterogeneity in large lakes to improve understanding of ecological processes and patterns. Simulation scenarios indicated that increased nutrient loading negatively affects water transparency, differently from climate changes. Slight changes in trophic structure caused by those factors indicate a strong resistence of the lake Mangueira. The ecological model also was useful to describe the ecosystem dynamics before and after biomanipulation of lake Engelsholm located in Denmark. In that case, the model could reasonably well predict a shift to a clear water state, but the changed composition of phytoplankton functional groups was much more hard to represent. Furthermore, simpler applications also provided support for decision making and planning in the ecosystem. Ecological modeling applied in aquatic ecosystems showed be a promising alternative towards the integrated management of natural resources.