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In this work, a first-order upwind and a high-order flux-limiter schemes for solving the advection–diffusion equation on unstructured grids were evaluated. The numerical schemes were implemented as a module of an unstructured two-dimensional depth-averaged circulation model for shallow lakes (IPH-UnTRIM2D), and they were applied to the Guaíba River in Brazil. Their performances were evaluated by comparing mass conservation balance errors for two scenarios of a passive tracer released into the Guaíba River. The circulation model showed good agreement with observed data collected at four water level stations along the Guaíba River, where correlation coefficients achieved values up to 0.93. In addition, volume conservation errors were lower than 1% of the total volume of the Guaíba River. For all scenarios, the higher order flux-limiter scheme has been shown to be less diffusive than a first-order upwind scheme. Accumulated conservation mass balance errors calculated for the flux limiter reached 8%, whereas for a first-order upwind scheme, they were close to 18% over a 15-day period. Although both schemes have presented mass conservation errors, these errors are assumed negligible compared with kinetic processes such as erosion, sedimentation or decay rates.

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

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

En los últimos años los cálculos de lluvia obtenidos por satélite son una fuente de datos potencialmente útil para estudios hidrológicos y pueden ser aplicados en modelos de transformación lluvia-escorrentía. La propuesta es de mayor interés para regiones remotas, donde los datos de lluvia obtenidos por métodos convencionales son limitados, debido a la baja densidad o escasez de estaciones pluviométricas. El objetivo de este trabajo es evaluar la calidad de los productos de lluvia por satélite como datos de entrada a un modelo hidrológico en la cuenca del río Huallaga en Perú. Se evaluaron dos productos de lluvia por satélite: 3B42-TMPA y CMORPH, además, lluvia obtenida por método convencional y una última fuente que resulta de las correcciones del producto CMORPH con lluvia convencional denotado como MIXTO. El periodo de simulación está comprendido entre octubre/2003 y febrero/2009. Los caudales simulados obtenidos por el modelo hidrológico para las cuatro fuentes de lluvia se asemejan a los regímenes hidrológicos, valores máximos para épocas húmedas y mínimos para épocas secas; sin embargo, con tendencias a subestimar los caudales observados. Las expectativas de considerar la lluvia obtenida por satélite como dato para complementar la medición de pluviómetros en la cuenca del río Huallaga son poco alentadoras. Los coeficientes de desempeño mostraron valores muy bajos de lo normal (coeficiente de Nash-Sutcliffe menor a 0,50) concluyendo que los productos de lluvia por satélite evaluados en este estudio, como datos de entrada al modelo hidrológico no resultan confiables. In recent years satellite rainfall estimates are a source of potentially useful data for hydrological studies and can be applied in rainfall-runoff transformation models. This study is of greater interest in remote regions where rainfall data obtained by conventional methods is limited due to low or poor density of surface rainfall stations. The aim of this study is to evaluate the quality of satellite rainfall products as input into hydrological model for the Huallaga River basin in Peru. Thus, two satellite rainfall products were evaluated: 3B42-TMPA y CMORPH and also rainfall obtained by conventional method; and a final source resulting from the corrections to the CMORPH product with conventional rainfall, referred to as MIXTO. The simulation period is from October/2003 to February/2009. The simulated discharge obtained from the hydrological model for the four sources of rain water regimes could be reproduced, maximum values for wet seasons and minimum values for dry seasons, however, it showed a trend to underestimate the observed discharge. Considering the satellite rainfall as a complement of raingauge measuring in the Huallaga River basin is not encouraging. Statistical skill showed very low values, under normal (Nash-Sutcliffe coefficient is less than 0.50) and concluded that the satellite rainfall products evaluated in this study as inputs into the hydrological model are not reliable.

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

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

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

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

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

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

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