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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Terras úmidas são ecossistemas complexos, responsáveis pela conservação da vida de um grande número de seres vivos. Além do valor ecológico, as terras úmidas desempenham importantes funções como o fornecimento de água para abastecimento, manutenção das condições climáticas locais, melhoria da qualidade da água, redução de cheias, recarga de aqüíferos, entre outros. As flutuações da água e sua circulação são responsáveis pelas características de uma terra úmida, determinando o tipo e cobertura de vegetação que se desenvolve no local, além das espécies animais que estão ligadas diretamente à água ou à vegetação. Qualquer alteração no regime hidrológico, portanto, pode quebrar o equilíbrio existente nestes ecossistemas, trazendo profundas alterações aos mesmos. Particularmente em locais onde a agricultura irrigada é desenvolvida, essa ameaça é acentuada pelo uso da água para a irrigação. Nesse contexto, esta Tese apresenta uma metodologia para a determinação dos limites das flutuações aceitáveis do hidroperíodo de terras úmidas, de forma a permitir que usos compartilhados (ex. irrigação e conservação) sejam desenvolvidos sem que haja descaracterização do ecossistema. A conservação da biodiversidade foi avaliada por meio de índices de adequabilidade, desenvolvidos para indicadores biológicos específicos. Esses índices relacionam a qualidade ambiental e a condição hidrológica específica. Utilizando modelos desenvolvidos especialmente para este trabalho, esses índices foram combinados com diferentes cenários hidrológicos. Esse procedimento permitiu que, dentro de distintas áreas da terra úmida, fosse feita uma avaliação temporal e espacial da condição ambiental para os indicadores selecionados. Diferentes cenários de qualidade ambiental foram selecionados, permitindo a determinação de “curvas-guia”, que traduzem as necessidades hidrológicas de diferentes espécies. A metodologia desenvolvida foi aplicada ao Banhado do Taim/RS, que é um exemplo de terra úmida impactada há anos pelas atividades de irrigação desenvolvidas no seu entorno. Após a determinação das curvas-guia para esse local, foi utilizado um modelo de previsão hidrológica permitindo que, a priori, fossem definidas regras para a conservação da terra úmida (ex. máxima área que poderá ser irrigada em um ano específico). A metodologia apresentada permitiu definir critérios para o gerenciamento dos recursos hídricos, alocando água para a irrigação e conservação do ecossitema de terra úmida proporcionando benefícios mútuos. Wetlands are complex ecosystems, responsibles for the preservation of a great number of living creatures. Besides their ecological value, wetlands play important roles like supplying water, maintenance of local climatic conditions, improving water quality, reducing floods and aquifers recharge. Water level fluctuation and its movement are responsible for the wetland characteristics, determining type and vegetation coverage developed in the place, and the animal species directly connected to water or vegetation. Therefore, any change in the hydrological regime can break the equilibrium existing in these ecosystems, bringing deep changes to it. In places where irrigated agriculture is developed this threat is especially accentuated by water abstraction. Within this context, this Thesis presents a methodology for determining the limits of acceptable wetland’s hydroperiod fluctuations, in order to allow that shared uses (ex. irrigation and conservation) could get along in the ecosystem. Biodiversity conservation was measured through the developed “suitability indexes” for specific biological indicators. These indexes relate environmental quality with hydrological specific conditions. The indexes were combined with hidrological trhough modeling specifically developed. This proceeding allows a temporal and spatial evaluation of environmental condition for selected indicators. Were obtained a set of "guide-curves" relating environmental quality for different water level scenarios, allowing ecosystem sustentability to be introduced in defining the acceptable water level fluctuation. The proposed methodology was applied to Banhado do Taim/RS, an example of freshwater wetland which has been impacted by the irrigation activities practiced in its watershed. After “guide-curves” were defined, a hydrological forecast model was used, enabling to define a priori rules to preserve the wetland (ex. maximum allowed farming area for a specific year). Presented methodology allows defining criteria for water management allocating water for irrigation and wetland’s ecosystem conservation, with mutual benefits.

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.

Submitted by Deyse Queiroz (deysequeirozz@hotmail.com) on 2019-05-21T16:32:03Z No. of bitstreams: 1 KLÉCIA FORTE DE OLIVEIRA - DISSERTAÇÃO PPGECA 2006..pdf: 843196 bytes, checksum: 3bf1171173665262e3be96cfe8631c56 (MD5) Made available in DSpace on 2019-05-21T16:32:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 KLÉCIA FORTE DE OLIVEIRA - DISSERTAÇÃO PPGECA 2006..pdf: 843196 bytes, checksum: 3bf1171173665262e3be96cfe8631c56 (MD5) Previous issue date: 2006-05-26 Previsões climáticas numéricas de precipitação, resultantes do aninhamento de um modelo regional em um modelo de circulação geral da atmosfera, são usadas para prever vazões na bacia do rio Piancó. A região está localizada no semi-árido paraibano, no norte do Nordeste, apresentando grande variabilidade climática e comprovada previsibilidade sazonal. A previsão de precipitação foi gerada a partir de valores observados de TSM, num conjunto de dez simulações de distintas condições iniciais. em razão da identificação de erros sistemáticos, aplicou-se um método de correção aos valores previstos, baseado nas médias e desvios das climatologias observada e do modelo. As precipitações previstas diárias são usadas como entrada para um modelo chuva-vazão concentrado, em escala diária. Em seguida, as precipitações previstas são acumuladas à escala mensal e corrigidas, sendo usadas como entrada para um modelo chuva-vazão concentrado, em escala mensal. Os resultados mostram que a previsão em conjunto fornece melhores ajustes à precipitação observada. A agregação das precipitações previstas diárias à escala mensal não resultou em melhores correlações entre previsão e observação. Considerando a escala sazonal, as vazões foram previstas corretamente em 65,5% dos anos analisados, quando categorizadas (se baixas, médias ou altas). Numerical precipitation climatic forecasts, resulting from the nesting of a regional model in a general circulation model of the atmosphere, are used to predict outflows in the Piancó river basin. The region is located in the semi-arid region of Paraíba, in the north-east of the Northeast, presenting great climatic variability and proven seasonal predictability. The precipitation forecast was generated from observed SST values, in a set of ten simulations of different initial conditions. due to the identification of systematic errors, a correction method was applied to the predicted values, based on the averages and deviations of the observed climatologies and the model. Daily precipitation is used as input to a daily rainfall-flow model. Then, the expected precipitations are accumulated monthly and corrected, being used as input for a concentrated rain-flow model, on a monthly scale. The results show that the forecast together provides better adjustments to the observed precipitation. The aggregation of predicted daily rainfall on a monthly scale did not result in better correlations between forecast and observation. Considering the seasonal scale, the flows were correctly predicted in 65.5% of the analyzed years, when categorized (low, medium or high).

No presente trabalho foram avaliados os benefícios da previsão de vazão afluente de curto e longo prazo, na operação de um reservatório com dois usos conflitantes: geração de energia e controle de cheias. A simulação da operação do reservatório foi realizada com base em dois tipos de modelos para avaliar os benefícios da previsão. Um modelo de operação sem previsão e outro com previsão de vazão afluente, este último desenvolvido no presente trabalho. Regras de operação simples, na forma de curvas-guia lineares, foram utilizadas nos casos de operação com e sem previsão de vazões afluentes. As curvas-guia foram otimizadas através de uma técnica de parametrização, simulação e otimização utilizando um algoritmo evolutivo semelhante a um algoritmo genético. Como base para as análises foram utilizados dados relativos ao reservatório de Três Marias, no Rio São Francisco, principalmente pela disponibilidade de previsões reais de vazão de curto prazo a partir de um trabalho prévio. Essas previsões reais de vazão foram calculadas através de um modelo hidrológico distribuído que utiliza como dados de entrada, previsões de chuva do modelo atmosférico regional ETA. Para avaliar o potencial benefício das previsões de vazão na operação do reservatório, foram realizados testes considerando às vazões afluentes observadas como “previsões perfeitas de vazão”. Os resultados com previsões perfeitas de vazão mostram que pode haver um benefício relativo (incremento na geração de energia) de aproximadamente 8% (cerca de 4,77 milhões de dólares anuais), se forem utilizadas previsões de vazão de longo prazo com dois meses de antecedência, e se a operação for planejada com essa mesma antecedência. A operação baseada em previsões de prazos ou horizontes mais curtos apresenta benefícios inferiores, mas ainda assim significativos. Por exemplo, a previsão perfeita com freqüência semanal e horizonte de 12 dias pode trazer um benefício de aproximadamente 4,45% (cerca de 2,75 milhões de dólares anuais). Esses benefícios foram obtidos com o mesmo desempenho no controle de cheias. Posteriormente, foram realizados testes utilizando as previsões reais de vazão. Os benefícios obtidos com as previsões reais de curto prazo são inferiores aos benefícios obtidos com as previsões perfeitas de curto prazo, como era esperado. Entretanto, com as previsões reais de vazão, foram obtidos benefícios superiores a 50% dos que seriam esperados com a previsão perfeita (vazões observadas). Os resultados obtidos são promissores e mostram que há vantagens evidentes na utilização de previsões de chuva para se obter previsões de vazão na operação de reservatórios com usos múltiplos, quando também é associada à otimização sistêmica de um aproveitamento hidrelétrico.

A variação temporal e espacial da ecologia de lagos, estuários e reservatórios está relacionada com a variação na composição da população de fitoplâncton, já que esta comunidade é a base da cadeia alimentar marinha e lacustre. Esta pesquisa desenvolveu um modelo para estimativa da dinâmica de biomassa de fitoplâncton, considerando os mecanismos de transporte no meio aquático, crescimento e perdas de sua biomassa. O modelo possui três módulos: (a) hidrodinâmico, que trata dos fluxos quantitativos do meio, associado a um algoritmo de secagem/inundação; (b) de transporte, que trata dos mecanismos de transporte das substâncias no meio; e (c) biológico, que retrata os mecanismos biológicos relacionados ao fitoplâncton. O módulo hidrodinâmico foi resolvido por um esquema semi-implícito de diferenças finitas, com uma abordagem mista Euleriana-Lagrangiana para os termos advectivos. Para os módulos restantes foi utilizado um esquema mais simples, de diferenças centrais. O modelo foi aplicado no sistema formado pela Lagoa Mangueira e Banhado do Taim localizado na parte sul costeira do estado do Rio Grande do Sul. Este sistema está inserido no Sistema Hidrológico do Taim como unidade de conservação federal, onde se desenvolve o projeto PELD (Pesquisas Ecológicas de Longa Duração). A hidrodinâmica do sistema foi ajustada e verificada apresentando bons resultados. Testes de secagem e inundação mostraram que as tendências esperadas foram obtidas. O aprimoramento da solução numérica do modelo foi comprovado através de testes de preservação de volume e massa em sistemas conservativos. A análise de sensibilidade dos parâmetros do módulo biológico mostrou que os parâmetros para os quais o modelo é mais sensível a alterações são aqueles relacionados aos efeitos de temperatura nas algas e as perdas por respiração e consumo por zooplâncton. Os cenários de análise propostos proporcionaram uma maior compreensão do transporte do material particulado suspenso e do material escalar genérico, assim como a dinâmica e as florações de algas no sistema em condições físicas e meteorológicas reais.

A previsão da vazão com base na previsão de precipitação permite uma antecedência maior do que outros métodos, mas exige modelos mais sofisticados e investimentos em monitoramento. Somente com o aprimoramento dos modelos atmosféricos e hidrológicos determinísticos nos últimos anos, criaram-se oportunidades consistentes de ampliar a antecedência da previsão através da integração desses modelos. Esse trabalho tem por objetivo principal o aprimoramento da metodologia de integração dos modelos atmosféricos e hidrológicos (previsão hidroclimática), para a previsão de vazões de curto prazo (14 dias) e longo prazo (até 6 meses). Para isso, o modelo hidrológico distribuído MGB-IPH foi ajustado a bacia do rio São Francisco (cerca de 639.000 km2) e utilizaram-se previsões de precipitação do modelo de circulação geral atmosférico (AGCM) e do modelo regional ETA, operados pelo Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos - CPTEC, como dados de entrada para o modelo hidrológico. Foram feitas previsões para toda bacia, mas os resultados foram analisados com enfoque nas usinas de Três Marias e Sobradinho. Para as previsões de vazão de curto prazo, foram usadas previsões de precipitação do modelo ETA com alcance de 10 dias e produziram-se previsões de vazão média semanal para até duas semanas em Três Marias e quatro semanas em Sobradinho, sendo que após o décimo dia considerou-se chuva igual a zero. Os resultados mostram que as previsões são muito boas nas duas usinas e o modelo é capaz de estimar eventos que os modelos estocásticos têm grande dificuldade. Os erros da previsão de curto prazo foram modelados através de modelos estocásticos e de função de transferência para corrigir a vazão prevista, com resultados bastante satisfatórios em ambas as usinas. Para previsão de longo prazo, foram usadas previsões climáticas dos modelos AGCM e regional ETA com 6 meses de antecedência. As previsões de vazão foram feitas para a mesma antecedência e comparadas em intervalos mensais, ou maiores, com o modelo estocástico PREVIVAZM do Operador Nacional do Sistema elétrico (ONS). Os resultados em Três Marias mostram que o modelo hidroclimático, com chuva do AGCM, não demonstra vantagens e relação ao PREVIVAZM. Em Sobradinho o modelo hidroclimático com chuva AGCM apresenta pequena vantagem, mas que é significativa somente para antecedências de até 2 meses. Com o uso da chuva gerada pelo modelo ETA os resultados foram inferiores ao PREVIVAZM, em ambas as usinas e para todas as antecedências. The flow forecast based in precipitation forecast permits larger antecedence than other methods, but more sophisticated models and investments in measurements and transmission of data are needed. Only with the improvement of the atmospheric and hydrologic deterministic models, in the last few years, consistent opportunities were generated to amplify the forecasts lead times, by the integrations of these models. The main objective of this research is to improve the integration methodology between atmospheric and hydrologic models (hydroclimatic forecast), to short-term flow forecasts (up to 14 days) and long-term flow forecast (up to 6 months). To this, the MGB-IPH distributed hydrologic model was adjusted to the São Francisco River basin (639000 km2). Precipitation forecasts generated by atmospheric general circulation model (AGCM) and ETA regional model, from Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos – CPTEC, were used as input data for the hydrologic model. Forecasts were made for the entire basin, but the results were analyzed in details to Três Marias and Sobradinho dams. Precipitation forecasts of ETA model up to 10 days were used for the short-term flow forecasts. Weekly flow forecasts were produced up to 2 weeks for Três Marias and 4 weeks for Sobradinho, after 10 days of forecast the precipitation was considered equal to zero. The results show that forecasts are very good to both dams and the model is able to estimate events that stochastic models have great difficult to represent. The errors of short-term forecasts were modeled by stochastic and transfer functions models to improve the forecasted flow, with very satisfactory results to both dams. For the long-term flow forecasts, 6 months lead time climatic forecasts of AGCM and ETA models, both from CPTEC, were used. The flow forecasts were made for 6 months lead too and compared in monthly intervals, or larger, with the PREVIVAZM stochastic model from the Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS). The results to Três Marias show that the hydroclimatic model, with AGCM rainfall, does not have advantages in relation to PREVIVAZM. To Sobradinho the hydroclimatic model, with AGCM rainfall, presents little advantage, but it is significant only for 2 months lead time. Using precipitation generated by ETA model, the results were worse than PREVIVAZM in both dams and for all the lead times.

Os impactos sobre o meio ambiente, associados ao desenvolvimento de atividades pelo homem em uma bacia hidrográfica, estão fortemente inter-relacionados e têm, a cada dia, se tornado mais evidentes. Esta idéia motiva a concepção de uma gestão integrada dos recursos naturais em várias partes do mundo, inclusive em países em desenvolvimento como o Brasil. Modelos matemáticos de qualidade de água podem ser ferramentas úteis para a tomada de decisão no apoio à gestão de bacias hidrográficas. O planejamento e gestão dos recursos hídricos em um país de grande porte como o Brasil envolve, geralmente, bacias extensas, com um vasto conjunto de elementos naturais e antrópicos. Um modelo de qualidade de água deve permitir a representação da variabilidade espacial da região e, desta forma, a consideração de fontes difusas juntamente com fontes pontuais de poluição. O presente estudo analisou o impacto do desenvolvimento sobre a qualidade da água em uma bacia de grande extensão (bacia do rio Taquari-Antas, RS, com 26.500 km2), considerando a alternativa de aproveitamento hidrelétrico definida no inventário da bacia. Utilizou-se um modelo distribuído de simulação hidrológica e de qualidade de água aplicável principalmente a grandes bacias ( > 1.000 km2), o IPH-MGBq. Este modelo, desenvolvido no IPH, foi ajustado aos dados diários observados de vazão, no seu módulo de quantidade, e de concentração de OD, DBO, nitrogênio e fósforo totais e coliformes fecais, obtidos de coletas trimestrais, no módulo de qualidade. O modelo permite a análise temporal das condições hidrológicas e de qualidade da água de toda a bacia, discretizada por células, com trechos de rios e reservatórios. O modelo apresentou bom desempenho quanto à quantidade (vazões) e quanto aos perfis de concentração dos parâmetros de qualidade de água ao longo do Taquari- Antas, principalmente em termos de valores médios. Foi realizada uma análise de incertezas de alguns parâmetros e variáveis de entrada do modelo com relação à inerente incerteza existente na definição destes elementos. Esta metodologia demonstrou ser uma alternativa adequada à aplicação de modelos distribuídos de qualidade de água em bacias sem dados, sendo que os erros cometidos pelo modelo, em relação aos valores de concentração observados, foram aceitáveis para uma confiança de 95%. A simulação de alguns cenários de desenvolvimento na bacia do Taquari-Antas evidenciou a importância da avaliação conjunta de todos os elementos da bacia (fontes pontuais e difusas de poluição e da implantação de reservatórios) sobre a qualidade de suas águas. O IPH-MGBq mostrou ser uma ferramenta útil para a simulação de cenários de desenvolvimento em grandes bacias como base para a tomada de decisão na gestão dos recursos hídricos.