Search

Submitted by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2022-05-05T21:29:55Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_Gabriel_Borges_dos_Santos.pdf: 4845636 bytes, checksum: bb608dd9dab31811e2d14b1871893fa1 (MD5) Approved for entry into archive by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2022-05-05T22:12:31Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_Gabriel_Borges_dos_Santos.pdf: 4845636 bytes, checksum: bb608dd9dab31811e2d14b1871893fa1 (MD5) Made available in DSpace on 2022-05-05T22:12:31Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertacao_Gabriel_Borges_dos_Santos.pdf: 4845636 bytes, checksum: bb608dd9dab31811e2d14b1871893fa1 (MD5) Previous issue date: 2022-02-23 Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Os recursos hídricos constituem um dos mais importantes recursos naturais existentes, tornando-se indispensável sua proteção e garantia de melhor qualidade e quantidade. Com isso, o conhecimento do comportamento e das alterações que influenciam nas águas presentes nas bacias hidrográficas é de extrema importância para um manejo eficiente considerando seus usos múltiplos. Embasando-se nestas alegações, o presente trabalho tem por objetivo analisar quantitativamente os recursos hídricos da bacia transfronteiriça do rio Jaguarão (BHRJ), que se localizada na fronteira entre Brasil e Uruguai. Mais especificadamente, o objetivo desse trabalho foi aplicar ferramentas de modelagem matemática, expressos no Modelo Hidrológico de Grandes Bacias (MGB) e WARM-GIS Tools, ambos os modelos desenvolvidos pelo Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH) da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), na intenção de realizar a modelagem hidrológica e o balanço hídrico quantitativo dos recursos hídricos, respectivamente. Com isso, desenvolveram-se três cenários, em base mensal e anual, adotando como vazão de referência a Q90, e assim, representou-se o Índice de estresse hídrico (IEH) para cada trecho da rede de drenagem da BHRJ, com destaque para análise da influência dos usos múltiplos da água na bacia em especial do uso destinado à irrigação. Além disso, no intuito de aprimorar a representação quantitativa da água para a BHRJ aplicou-se o Índice de Comprometimento Hídrico (ICH) e o Índice de Retirada de Água (IRA) para o diagnóstico de nível de escassez da bacia considerando o comprometimento hídrico anual. Os resultados da modelagem hidrológica realizada com o uso do MGB mostraram que, de um modo geral, o modelo apresentou um bom desempenho tanto na calibração quanto na validação dos períodos adotados. A representação do IEH mostrou que, no cenário atual da bacia a mesma sofre com grande estresse hídrico nos meses que compreendem a estação do verão (janeiro, fevereiro, março e dezembro), além disso, a aplicação do IEH expôs a grande influência do uso da água na produção do arroz irrigado na região. O IRA reforçou tal resultado, pois apresentou sub-bacias que se enquadraram em uma situação crítica, exigindo intensa atividade de gerenciamento e grandes investimentos. Water resources are one of the most important natural resources in the world, making it essential to protection and guarantee better quality and quantity. Thus the knowledge of the behavior and changes that influence the waters present in the hydrographic basins is extremely important for an efficient management considering their multiple uses. Based on these claims, the present study aims to quantitatively analyze the water resources of the transboundary basin of the Jaguarão River (BJR), which is located on the border between Brazil and Uruguay. More specifically, the objective of this work was to apply mathematical modeling tools, expressed in the Large Basin Hydrological Model (BHM) and WARM-GIS Tools, both models developed by the Hydraulic Research Institute (HRI) of the Federal University of Rio Grande do Sul (FURGS), in an attempt to carrying out the hydrological modeling and quantitative water balance of water resources, respectively. Three scenarios were developed, on a monthly and annual basis, adopting Q90 as a reference flow rate, and thus, the water stress index (WSI) was represented for each section of the BHRJ drainage network, with emphasis on analysis of the multiple uses of water influence in the basin, especially for irrigation purpose. In addition, in order to improve the quantitative representation of water for the BJR, the Water Commitment Index (WCI) and the Water Withdrawal Index (WWI) were applied to diagnose the water scarcity level of the basin considering the annual water commitment. The results of the hydrological modeling carried out using the MGB showed that, in general, the model presented a good performance in both in calibration and validation of the periods adopted. The WSI representation WSI showed that in the current scenario the basin suffers from high water stress in the months that comprise the summer season (January, February, March and December), furthermore, the application of the WSI exposed the great influence of water use on irrigated rice in the region. The WCI has reinforced this result, as it presented sub-basins that fit into a critical situation, requiring intense management activity and large investments.

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

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

International audience; Hydrological models are important tools for the simulation of water storage and hydrological fluxes in large basins and complex river systems. The hydrological models can compensate the lack of observed data in ungauged basins. In this study, the hydrological model of large basins MGB (for Model of Large Basins in Portuguese) is used to evaluate the hydrological processes of the Ogooué River Basin (ORB), which has been mostly unmonitored for about three decades. Simulations were carried out over an 18-year period from 1998 to 2015 using TRMM 3B42 daily rainfall data from the Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) as forcing and in situ and altimetry-based river discharges from Envisat, Saral Altika and Jason-2 for calibration and validation. The results of the model were in good agreement with the flows measured at stations upstream and downstream of the Ogooué basin (Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) > 0.56 for all calibration gauges). The MGB model efficiently describes the seasonal and interannual variations of the flow in the Ogooué River and its major tributaries which were found to be highly correlated to the rainfall (r ranging from 0.72 to 0.90 and 0.56 to 0.87 at seasonal and interannual time-scales respectively). Interannual variations of precipitation and river discharge of the ORB are linked to the El Niño Southern Oscillation (ENSO) in the tropical eastern Pacific Ocean and southeastern tropical Atlantic Niño. Also, the Ogooué River discharge was found to be strongly correlated with Sea Surface Temperature (SST) at annual and semi-annual time-scales.

Our paper aimed to identify key factors affecting the use of peer to peer accommodation through the generation of millennials. The analysis of customer behaviour was based on a goal-oriented behavioural model (MGB) which was enlarged by the environmental responsibility and the impact of digital platforms. According to the findings of structural modelling, important influences on the desire to use a peer to peer (P2P) accommodation included the millennial generation’s attitudes towards social benefits and previous authentic experiences. The interesting finding is that environmental aspects alone were not a sufficient motivator to increase millennials’ desire to use a P2P accommodation.

International audience; Recent years have seen the development of 1-D and 2-D regional-scale hydrological-hydrodynamic models, which differ greatly from reach-scale applications in terms of subgrid assumptions, parameterization, and applied resolution. Although 1-D and 2-D comparisons have already been performed at reach and local scales, model differences at regional scale are poorly understood. Moreover, there is a need to improve the coupling between hydrological and hydrodynamic models. It is addressed here by applying the MGB model at 1-D and 2-D dimensions for the whole ~700,000 km2 Negro basin (Amazon), which presents different wetland types. Long-term continuous simulations are performed and validated with multisatellite observations of hydraulic variables. Results showed that both approaches are similarly able to estimate discharges and water levels along main rivers, especially considering parameter uncertainties, but differ in terms of flood extent and volume and water levels in complex wetlands. In these latter, the diffuse flow and drainage patterns were more realistically represented by the 2-D scheme, as well as wetland connectivity across the basin. The 2-D model led to higher drainage basinwide, while the 1-D model was more sensitive to hydrodynamic parameters for discharge and flood extent and had a similar sensitivity for water levels. Finally, tests on the coupling between hydrologic and hydrodynamic processes suggested that their representation in an online way is less important for tropical wetlands than model dimensionality, which largely impacts water transfer and repartition.