Search

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

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

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.