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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.

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.

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.

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.

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.

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.

As reservas de água subterrânea estão entre os componentes do balanço hídrico com maior incerteza de quantificação. O entendimento da sua disponibilidade ainda é limitado em comparação com outras reservas hídricas como rios, atmosfera, solo e lagos. A busca por esse recurso tem aumentado tanto nas áreas úmidas quanto nas áreas secas. Explorar os processos de interação entre as águas subterrâneas e os rios em aquíferos de grande escala (como o comportamento das reservas em períodos secos, eventos de recarga episódica e variabilidade anual), é de grande interesse para a indústria, a economia e a qualidade de vida da população. O desenvolvimento e a avaliação de ferramentas é um passo inicial para o uso sustentável das águas subterrâneas. O objetivo desta tese é avançar no entendimento de processos hidrogeológicos de grande escala que ocorrem no Brasil em diferentes climas e formações aquíferas a partir de ferramentas inovadoras e complementares de monitoramento in situ, dados de sensoriamento remoto e modelagem hidrológica. Verificou-se que o uso do GRACE para detectar variações nas reservas de água subterrânea para um aquífero sedimentar no semiárido brasileiro apresentou resultados adequados. As reservas de água subterrânea estão entre os componentes do balanço hídrico com maior incerteza de quantificação. O entendimento da sua disponibilidade ainda é limitado em comparação com outras reservas hídricas como rios, atmosfera, solo e lagos. A busca por esse recurso tem aumentado tanto nas áreas úmidas quanto nas áreas secas. Explorar os processos de interação entre as águas subterrâneas e os rios em aquíferos de grande escala (como o comportamento das reservas em períodos secos, eventos de recarga episódica e variabilidade anual), é de grande interesse para a indústria, a economia e a qualidade de vida da população. O desenvolvimento e a avaliação de ferramentas é um passo inicial para o uso sustentável das águas subterrâneas. O objetivo desta tese é avançar no entendimento de processos hidrogeológicos de grande escala que ocorrem no Brasil em diferentes climas e formações aquíferas a partir de ferramentas inovadoras e complementares de monitoramento in situ, dados de sensoriamento remoto e modelagem hidrológica. Verificou-se que o uso do GRACE para detectar variações nas reservas de água subterrânea para um aquífero sedimentar no semiárido brasileiro apresentou resultados adequados. Groundwater volumes are among the water balance components with the greatest uncertainty of quantification, the understanding of its availability is still limited compared to other water reserves such as rivers, atmosphere, soil, and lakes. The search for this continuous supply resource throughout the year has increased in wet and dry areas. Exploring hydrological, hydrogeological, and surface-groundwater interaction processes among these large-scale South American aquifers, such as the dynamics associated with dry periods response, recharge events, and interannual variability, is of great interest to the industry, the economy, and the quality of life of the regional population. And the development and testing of tools for researching these aspects is a primer step for sustainable usage of groundwaters in the South American domain. The main objective of this thesis is to advance in the determination of large-scale hydrogeological process in Brazil, South America in different climates and aquifer formations from innovative and complementary tooling of intensive field monitoring, remote sensing data, and hydrological modeling. We found that the use of GRACE to detect variations in groundwater reserves showed adequate results for a small-scale sedimentary aquifer in the Brazilian semi-arid region. The findings were promising to improve the understanding of droughts at different scales in those areas. GRACE data also showed itself as an essential tool for monitoring groundwater volumes in the other two aquifers in humid subtropical areas and investigated in this thesis (Caiuá Aquifer and SASG). We also found that in those humid subtropical areas, the high soil moisture storage has an important role in the occurrence of large episodic recharge events. Atypical rainfall in winter periods was responsible for the increase in soil moisture that explains the larger events. The changes in aquifer storage caused by episodic recharge events are long-lasting and directly affect low flows in rivers with implications on hydro-climatic variability. We also brought important findings related to groundwater variations in fractured aquifer systems, which are complex to predict. Significant contributions related to groundwater level variations, transit times, regional trends, and interaction with the rivers in the SASG were presented.

A América do Sul abriga alguns dos maiores sistemas hídricos do planeta, frequentemente associados a grandes planícies de inundação, como o Pantanal e várias áreas da Amazônia. Áreas úmidas (AU’s) interfluviais são também encontrados no continente, com características geomorfológicas particulares, e vegetações de savana e gramíneas únicas. As AU’s da América do Sul provêm diversos serviços ecossistêmicos, como suporte à biodiversidade, provisão de alimento e atenuação de cheias. Humanos têm se estabelecido ao redor de AU’s por milênios, se beneficiando dos recursos providos por elas. Eles se adaptaram ao seu regime de inundação, e adaptaram sua paisagem, definindo o que tem sido chamado de sistemas sociedade-água. Por outro lado, um número crescente de pessoas têm sido negativamente afetado por cheias extremas. Da escala continental à local, esta tese convida o leitor a uma jornada através de importantes AU’s da América do Sul e suas particulares dinâmicas de inundação, sob a luz da era dos satélites e dos grandes avanços em modelagem hidrológica-hidrodinâmica das últimas décadas. Este trabalho é baseado na proposta de uma escala continental de pesquisa sobre AU’s, e é baseado em uma abordagem de hidrologia comparativa. Inundações são estudadas em múltiplas dimensões, de processos de AU’s naturais à questão do perigo para humanos. A primeira parte apresenta uma série de estudos sobre as AU’s da bacia amazônica, desde o desenvolvimento de modelos 1D e 2D para simular processos hidrológicos em tipos contrastantes de AU’s na bacia do Rio Negro, até a intercomparação de 29 produtos de inundação e avaliação de tendências de inundações de longo prazo para a escala da bacia amazônica. Enquanto a maioria dos estudos de AU’s foi conduzida nas várzeas do rio Amazonas, importantes lacunas do conhecimento permanecem para a compreensão da dinâmica hidrológica de áreas interfluviais como Llanos de Moxos e as savanas do rio Negro, onde a inundação é menos previsível e mais rasa. A segunda parte da tese utiliza dados oriundos de satélites relacionados a múltiplas variáveis hidrológicas (níveis d’água, armazenamento total de água, extensão de áreas inundadas, precipitação e evapotranspiração) para estudar a hidrologia de 12 grandes sistemas de AU’s do continente. São destacadas as grandes diferenças entre planícies de inundação e AU’s interfluviais em termos de amplitude anual de níveis d’água, defasagem entre precipitação e inundação, e dinâmica de evapotranspiração. Por fim, a última parte da tese aborda o componente de perigo de inundação das interações sociedade-água através de avaliações em grande escala da dinâmica de inundação e dos efeitos de infraestruturas construídas (como barragens) na atenuação de cheias. A dinâmica das grandes cheias de 1983, um dos anos mais extremos já registrados no continente, é avaliada com um modelo hidrológico continental. Depois, a capacidade de modelos continentais para simular o continuum entre rios, planícies de inundação e reservatórios que existe em grandes bacias hidrográficas é avaliada com estudos de casos para importantes bacias afetadas pela intervenção humana (bacia dos rios Paraná e Itajaí-Açu). Enquanto esta tese avança a compreensão de relevantes processos hidrológicos relacionados a inundações na América do Sul em múltiplas escalas, bem como seus efeitos positivos e negativos nas sociedades humanas e ecossistemas em geral, importantes lacunas do conhecimento persistem e fomentam importantes oportunidades de pesquisa futuras. O lançamento de várias missões satelitais orientadas a hidrologia, e uma cada vez mais crescente capacidade computacional, faz da agenda continental de hidrologia relacionada a AU’s e inundações um grande tópico de pesquisa para os próximos anos. South America hosts some of the major river systems on Earth, often associated with large floodplains that are inundated every year, such as the Pantanal and many Amazon wetlands. Interfluvial wetland complexes are also found across the continent, with particular geomorphic settings and unique savanna or grassland vegetation. South American wetlands can provide distinctive ecosystem services such as biodiversity supporting, food provision and flood attenuation. On the other hand, humans have settled around wetlands for millennia, benefiting from all resources they provide, and have adapted to its flood regime as well adapted its landscape, defining what has been called human-water systems. Yet, an increasing number of South American people have been negatively affected by extreme floods. Moving from continental to local scales, this thesis invites the readers to a journey across major South American wetland systems and their unique hydrological dynamics, under the light of the satellite era and the breakthrough advances on hydrologic-hydrodynamic modeling in the last decades. This work is founded on the proposition of a continental wetland research agenda, and based on a comparative hydrology approach. Floods are studied through both natural wetland processes and hazard dimensions. The first part presents a set of studies on the Amazon basin wetlands, from the development of 1D and 2D models to simulate hydrological processes in contrasting wetland types in the Negro river basin to the basin-wide intercomparison of 29 inundation products and assessment of long-term inundation trends. While most wetland studies have been conducted over the central Amazon floodplains, major knowledge gaps remain for understanding the hydrological dynamics of interfluvial areas such as the Llanos de Moxos and Negro savannas, where the inundation is less predictable and shallower. The second part of the thesis leverages satellite-based datasets of multiple hydrological variables (water levels, total water storage, inundation extent, precipitation and evapotranspiration) to address the hydrology of 12 large wetland systems in the continent. It shows the major differences among river floodplains and interfluvial wetlands on the water level annual amplitude, time lag between precipitation and inundation, and evapotranspiration dynamics. Finally, the third part addresses the flood hazard component of human-wetland interactions through large-scale assessments of flood hazard dynamics and effects of built infrastructure (dams) on flood attenuation. The dynamics of the great 1983 floods, one of the most extreme years ever recorded in the continent, is assessed with a continental hydrological model. Then, the capabilities of continental models to simulate the river-floodplain-reservoir continuum that exists across large river basins are assessed with case studies for major river basins affected by human intervention (Itajaí-Açu and upper Paraná river basins in Brazil). While this thesis enlightens some relevant hydrological processes regarding South American floods and their positive and negative effects to human societies and ecosystems in general, major knowledge gaps persist and provide great research opportunities for the near future. The launching of many hydrology-oriented satellite missions, and an ever-growing computational capacity, make the continental hydrology agenda related to wetlands and floods a great research topic for the upcoming years.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

A gestão integrada dos recursos hídricos constitui um dos fundamentos da lei 9.433/97, que considera a unidade do ciclo hidrológico como requisito necessário ao estabelecimento de critérios de outorga de direito de uso dos recursos hídricos. No entanto, na prática do gerenciamento das alocações de água no Brasil, a interdependência entre os recursos hídricos superficiais e subterrâneos não é considerada, devido, principalmente, à falta de informações hidrogeológicas nas bacias e aos aparatos institucionais das autoridades outorgantes terem sempre sido mais voltados à gestão das águas superficiais. Além disso, o conhecimento científico nessa área ainda é escasso, especialmente quanto a estudos que abordem o uso integrado das águas na escala da bacia hidrográfica. Neste trabalho foi realizada uma análise integrada de retiradas de água superficial e subterrânea em uma bacia hidrográfica, utilizando um modelo hidrológico distribuído de simulação de processos de transformação chuva-vazão em grande escala. Diferentes cenários de usos foram simulados e, por meio deles, foram geradas curvas relacionando máximos percentuais de uso de água superficial e subterrânea com seus impactos sobre as vazões mínimas no rio, a partir das quais, se podem definir possíveis limites para outorga integrada de recursos hídricos na escala das bacias hidrográficas. O estudo de caso foi aplicado na bacia do Alto Rio Paranaíba, afluente do Rio Paraná, em Minas Gerais, e os resultados mostraram que a máxima quantidade de água subterrânea que poderia ser retirada na bacia é inferior à recarga estimada do aqüífero, para um nível de impacto sobre a vazão no rio atualmente considerado aceitável de acordo com a legislação. Integrated water resources management is the basis for law no. 9433/97, which is known as the National Water Policy. According to that law, the whole hydrologic cycle should be taken in consideration when defining water rights. However, in Brazilian water use allocation practice, surface water and groundwater interaction is not considered due to the lack of hydrogeological information on watersheds and to the water agencies focus on surface water management. Furthermore, scientific knowledge on this subject is still scarce especially on water integrated use in the large-scale. This study aims to analyze surface water and groundwater integrated use in a basin through a rainfall-runoff distributed hydrological model. Different withdrawal scenarios were simulated and curves relating surface water and groundwater use and its impacts on river minimum flows were obtained. These curves may support withdrawal threshold definition in the macro-scale. A case study was applied in the Upper Paranaíba river basin, a tributary of Paraná river in the State of Minas Gerais. Results showed that maximum groundwater withdrawal in the basin should be less than estimated aquifer recharge.