<p>Ecohydrological models are extensively used to evaluate land use, land management and climate change impacts on hydrology and in-stream water quality conditions. The scale at which these models operate influences the complexity of processes incorporated within the models. For instance, a large scale hydrological model such as Soil and Water Assessment Tool (SWAT) that runs on a daily scale may ignore the sub-daily scale in-stream processes. The key processes affecting in-stream solute transport such as advection, dispersion and transient storage (dead zone) exchange can have considerable effect on the predicted stream solute concentrations, especially for localized studies. To represent realistic field conditions, it is therefore required to modify the in-stream water quality algorithms of SWAT by including these additional processes. Existing reach-scale solute transport models like OTIS (One-dimensional Transport with Inflow and Storage) considers these processes but excludes the actual biochemical reactions occurring in the stream and models nutrient uptake using an empirical first-order decay equation. Alternatively, comprehensive stream water quality models like QUAL2E (The Enhanced Stream Water Quality Model) incorporates actual biochemical reactions but neglects the transient storage exchange component which is crucial is predicting the peak and timing of solute concentrations. In this study, these two popular models (OTIS and QUAL2E) are merged to integrate all essential solute transport processes into a single in-stream water quality model known as ‘Enhanced OTIS model’. A generalized model with an improved graphical user interface was developed on MATLAB platform that performed reasonably well for both experimental data and previously published data (R²=0.76). To incorporate this model into large-scale hydrological models, it was necessary to find an alternative to estimate transient storage parameters, which are otherwise derived through calibration using experimental tracer tests. Through a meta-analysis approach, simple regression models were therefore developed for dispersion coefficient (D), storage zone area (A_s) and storage exchange coefficient (α) by relating them to easily obtainable hydraulic characteristics such as discharge, velocity, flow width and flow depth. For experimental data from two study sites, breakthrough curves and storage potential of conservative tracers were predicted with good accuracy (R²>0.5) by using the new regression equations. These equations were hence recommended as a tool for obtaining preliminary and approximate estimates of D, A_s and α when reach-specific calibration is unfeasible. </p> <p> </p> <p>The existing water quality module in SWAT was replaced with the newly developed ‘Enhanced OTIS model’ along with the regression equations for storage parameters. Water quality predictions using the modified SWAT model (Mir-SWAT) for a study catchment in Germany showed that the improvements in process representation yields better results for dissolved oxygen (DO), phosphate and Chlorophyll-a. While the existing model simulated extreme low values of DO, Mir-SWAT improved these values with a 0.11 increase in R² value between modeled and measured values. No major improvement was observed for nitrate loads but modeled phosphate peak loads were reduced to be much closer to measured values with Mir-SWAT model. A qualitative analysis on Chl-<i>a</i> concentrations also indicated that average and maximum monthly Chl-<i>a</i> values were better predicted with Mir-SWAT when compared to SWAT model, especially for winter months. The newly developed in-stream water quality model is expected to act as a stand alone model or coupled with larger models to improve the representation of solute transport processes and nutrient uptake in these models. The improvements made to SWAT model will increase the model confidence and widen its extent of applicability to short-term and localized studies that require understanding of fine-scale solute transport dynamics. </p>

Este trabalho teve como objetivo estudar o comportamento espaço-temporal das variáveis limnológicas, no Ribeirão Bonito (SP) a fim de avaliar a descontinuidade ocasionada pelas fontes poluidoras e o processo de autodepuração. Para tanto, foram determinadas variáveis físico-químicas, biológicas, climatológicas e hidrológicas, no eixo longitudinal do rio e utilizado como ferramenta para diferentes cenários de simulações das concentrações de oxigênio dissolvido, o modelo QUAL2E. Foi possível observar, que muitas das variáveis limnológicas estudadas no Ribeirão Bonito sofrem \"descontinuidades\" devido à entrada de esgoto. As concentrações de oxigênio dissolvido têm um gradiente positivo da nascente até a estação 4, sofrendo uma descontinuidade após a estação 6 onde detecta-se o primeiro lançamento de esgoto. O comportamento dessa variável após a entrada de esgoto foi distinto nos dois períodos estudados. As análises de \"Cluster\" e PCA (Análise dos Componentes Principais), realizadas com as médias das variáveis limnológicas, distinguiram diferentes grupos no perfil longitudinal do ribeirão Bonito. Essa distinção pode ser atribuída às já citadas entradas de efluentes e também em decorrência da presença do tributário do Curtume. Pode-se constatar que mesmo com o auxílio natural do processo de autodepuração, muitas das variáveis estudadas não se enquadram aos padrões do corpo receptor conforme previsto pela resolução número 20/86 do CONAMA, sugerindo assim, neste trabalho, um grau de tratamento dos efluentes para que estes padrões sejam respeitados. / The objective of the present paper is to study the spatial-temporal behaviour of the limnological variables, in Bonito stream (SP), in order to evaluate the discontinuity occasioned by the sources of pollution and the self-cleaning process. To this effect, a survey was made to determine the physical-chemical, biological, climatological and hydrological variables in the longitudinal axis of the river and which utilized the QUAL2E model as a tool for simulating the concentrations of dissolved oxygen under different scenarios. It was possible to observe that many of the limnological variables studied in the Bonito rivulet suffer \"discontinuities\" due the entry of sewage. The concentrations of dissolved oxygen show a positive gradient from the source of the watercourse until station 4, and suffer a discontinuity after station 6, where the first discharge of sewage begins. The behaviour of this variable after the entry of sewage differed during the two periods studied. Furthermore, the \"Cluster\" and PCA (Principal Component Analyses) carried out upon the averages of the limnological variables distinguished different groups in the longitudinal profile of the Bonito rivulet. This distinction can be attributed to the above-mentioned entries of effluents and also resulting from the presence of the Curtume tributary. It can be verified that even with the natural assistance of the self-cleaning process, many of the variables studied fail to meet the standards of the receiving body, as stipulated by the CONAMA resolution number 20/86, in view of which, the present study suggests a degree of effluent treatment in order for these standards to be respected.

Este trabalho teve como objetivo estudar o comportamento espaço-temporal das variáveis limnológicas, no Ribeirão Bonito (SP) a fim de avaliar a descontinuidade ocasionada pelas fontes poluidoras e o processo de autodepuração. Para tanto, foram determinadas variáveis físico-químicas, biológicas, climatológicas e hidrológicas, no eixo longitudinal do rio e utilizado como ferramenta para diferentes cenários de simulações das concentrações de oxigênio dissolvido, o modelo QUAL2E. Foi possível observar, que muitas das variáveis limnológicas estudadas no Ribeirão Bonito sofrem \"descontinuidades\" devido à entrada de esgoto. As concentrações de oxigênio dissolvido têm um gradiente positivo da nascente até a estação 4, sofrendo uma descontinuidade após a estação 6 onde detecta-se o primeiro lançamento de esgoto. O comportamento dessa variável após a entrada de esgoto foi distinto nos dois períodos estudados. As análises de \"Cluster\" e PCA (Análise dos Componentes Principais), realizadas com as médias das variáveis limnológicas, distinguiram diferentes grupos no perfil longitudinal do ribeirão Bonito. Essa distinção pode ser atribuída às já citadas entradas de efluentes e também em decorrência da presença do tributário do Curtume. Pode-se constatar que mesmo com o auxílio natural do processo de autodepuração, muitas das variáveis estudadas não se enquadram aos padrões do corpo receptor conforme previsto pela resolução número 20/86 do CONAMA, sugerindo assim, neste trabalho, um grau de tratamento dos efluentes para que estes padrões sejam respeitados. / The objective of the present paper is to study the spatial-temporal behaviour of the limnological variables, in Bonito stream (SP), in order to evaluate the discontinuity occasioned by the sources of pollution and the self-cleaning process. To this effect, a survey was made to determine the physical-chemical, biological, climatological and hydrological variables in the longitudinal axis of the river and which utilized the QUAL2E model as a tool for simulating the concentrations of dissolved oxygen under different scenarios. It was possible to observe that many of the limnological variables studied in the Bonito rivulet suffer \"discontinuities\" due the entry of sewage. The concentrations of dissolved oxygen show a positive gradient from the source of the watercourse until station 4, and suffer a discontinuity after station 6, where the first discharge of sewage begins. The behaviour of this variable after the entry of sewage differed during the two periods studied. Furthermore, the \"Cluster\" and PCA (Principal Component Analyses) carried out upon the averages of the limnological variables distinguished different groups in the longitudinal profile of the Bonito rivulet. This distinction can be attributed to the above-mentioned entries of effluents and also resulting from the presence of the Curtume tributary. It can be verified that even with the natural assistance of the self-cleaning process, many of the variables studied fail to meet the standards of the receiving body, as stipulated by the CONAMA resolution number 20/86, in view of which, the present study suggests a degree of effluent treatment in order for these standards to be respected.

[pt] A previsão dos efeitos poluidores sobre uma bacia hidrográfica é uma constante necessidade para os órgãos de gestão ambiental e para os tomadores de decisão neste âmbito. Dentro deste contexto, os modelos matemáticos que permitam prever danos ou melhorias na qualidade de água de bacias hidrográficas são importantes ferramentas para este fim. O Qual2E desponta como uma destas ferramentas, de acesso livre, aplicável à sistemas fluviais, unidimensionais, bem misturados e de fluxo constante. Este trabalho propõe uma aplicação do Qual2E para o rio Corumbataí, localizado no interior do Estado de São Paulo, visando a obtenção de uma curva representativa para a qualidade de água do rio. Para tal, foi utilizada a metodologia sugerida pelo modelo, que prevê a divisão do sistema em trechos de características hidráulicas semelhantes e a subdivisão desses trechos em elementos de mesma extensão - os elementos computacionais (ECs). Os dados de vazão, profundidade, concentração de OD (oxigênio dissolvido), DBO (demanda bioquímica de oxigênio), temperatura, carga e localização de fontes poluidoras foram obtidos através de um projeto de parceria da CETESB com a USP, que contempla a elaboração de um banco de dados para qualidade de água da bacia. Este banco, georreferenciado, foi utilizado tanto para a entrada de condições iniciais no modelo,como para a construção da curva de referência dos dados reais de campo, para comparação com a curva calculada pelo modelo. Os coeficientes de reação - resultantes da interação entre as variáveis OD e DBO - presentes no sistema de equações diferenciais resolvidas pelo modelo, foram estimados através de tentativa e erro, até a concordância com os dados observados. A calibração efetuada se mostrou eficiente em reproduzir os dados observados, validando os parâmetros estimados através de um outro conjunto de dados.Uma análise de sensibilidade foi realizada para os parâmetros k1,k2,k3 e k4 e a curva calculada foi mais sensível ao coeficiente de decaimento de DBO. As limitações inerentes ao modelo, à coleta de dados e ao tratamento estatístico dos dados disponíveis impediram uma melhor concordância da curva calculada com a observada. / [en] The forecast of the polluting effects over a hydric basin is a constant need for the official environmental managers and for the people responsible for the decisions in this subject. Therefore, mathematical models that allow forecast damages or improvements in the river basin water quality are important tools for this purpose. Qual2E appears as one of these tools, of free access, and suitable for one-dimensional well-mixed rivers with constant flow. The objective of this work is to apply the Qual2E model to Corumbataí River, located in São Paulo State, in order to obtain a representative curve of the river water quality. The method suggested by the model request the division of the river in reaches with similar hydric features and a subdivision of these reaches in computational elements (CEs) with the same extension. The flow data, depth, DO (Dissolved Oxygen) concentration, BOD (Biochemical Oxygen Demand), temperature, load and location of pollution sources were obtained from a joint project between CETESB and USP, that resulted in a database for the water quality of the basin. This geo-referenced database was used both for the initial conditions to the model, as for the determination of a reference curve with the real field data, for comparison with the calculated curve of the model. The reaction coefficients - resulting from the interaction between DO and BOD - are the constants of the differential equations system solved by the model, were estimated through trial and error, until the agreement with the observed data. The calibration was efficient to reproduce the field data, through the validation for another group of data. A sensitivity analysis was executed for the parameters k1, k2, k3 and k4 and the calculated curve seemed to be more sensible to the BOD decaying coefficient. The limitations inherent to the model, the data collecting and the statistical treatment of the available data did not allow a better agreement between the calculated and the observed curves.

O presente trabalho apresenta-se como um marco inovador na área de gestão de recursos hídricos, já que o mesmo consegue inserir aspectos de qualidade da água para os processos de outorga e cobrança pelo uso da água, de forma articulada a todos os instrumentos da Política Nacional de Recursos Hídricos (Lei 9.433 de 1997), possibilitando a efetiva aplicação da Política e da Resolução n° 48, de 21 de março de 2005, que estabelece critérios gerais para a cobrança pelo uso dos recursos hídricos. Traz também para a Política um novo conceito, o de Justiça Hídrica, ou seja, quem capta água com qualidade superior paga mais do que quem capta água com qualidade inferior, assim como, quem mais polui e prejudica os usuários de jusante, mais paga. Neste trabalho, a variável de decisão do sistema é o volume outorgado e o estudo leva em consideração a capacidade de autodepuração, o enquadramento em classes de uso, o regime de vazão do corpo hídrico, a qualidade da água captada e os prejuízos, em termos de qualidade da água, ocasionados pelos usuários-poluidores aos usuários de jusante. A ferramenta de auxílio aqui oferecida é um Sistema de Suporte a Decisão (SSD), denominado RB, que apresenta: um módulo Interface, um módulo Modelos, constituído pelo modelo de outorga e cobrança pelo uso da água RM1 e pelo modelo de qualidade das águas QUAL2E e, por fim, um módulo Dados, que representa os dados de entrada e saída do sistema. O SSD RB foi aplicado à bacia do rio Jundiaí, afluente do rio Tietê, localizado no Estado de São Paulo. Na aplicação do SSD RB, foi realizada uma análise comparativa para a variação de cenários relativa a Classes de Uso do corpo hídrico, vazões de referência e diferentes valores de cobrança que podem ser utilizados. A aplicação do SSD RB reflete a necessidade de uma articulação sistemática entre os instrumentos da Política Nacional de Recursos Hídricos, apoiada na diretriz de gestão integrada de recursos hídricos, ou seja, existe um único corpo de trabalho (a gestão de recursos hídricos) cujos membros (instrumentos de gestão) só ganham sentido quanto articulados entre si com um mesmo objetivo: a garantia de água de boa qualidade com a quantidade necessária à atual e às futuras gerações. / The main objective of this study is to develop a set of tools to help with the implementation of water management mechanisms such as the analysis of authorization of water uses (permits) and water charging. An integrated analysis of both water quality and quantity is needed and the decision process must also take into account watershed plans and the designated uses of the water. In this study, the decision variable is the volume of water authorized in each permit. The tool developed in this study is a Decision Support System named RB, based on the QUAL2E model and an water permit and charging simulation system named RM1. The RB system was tested in the Jundiaí watershed, a tributary of the Tietê river located in the State of São Paulo. In this case study, several scenarios with different classification of water bodies, reference flows and water values were tested. The application of the system shows that water management tools must be applied in an integrated manner, mainly to reflect both aspects of water quality and quantity. Water management tools are to be articulated so that the main objective of supplying water with good quality and in an adequate amount is sustainable in the long run.

O presente trabalho apresenta-se como um marco inovador na área de gestão de recursos hídricos, já que o mesmo consegue inserir aspectos de qualidade da água para os processos de outorga e cobrança pelo uso da água, de forma articulada a todos os instrumentos da Política Nacional de Recursos Hídricos (Lei 9.433 de 1997), possibilitando a efetiva aplicação da Política e da Resolução n° 48, de 21 de março de 2005, que estabelece critérios gerais para a cobrança pelo uso dos recursos hídricos. Traz também para a Política um novo conceito, o de Justiça Hídrica, ou seja, quem capta água com qualidade superior paga mais do que quem capta água com qualidade inferior, assim como, quem mais polui e prejudica os usuários de jusante, mais paga. Neste trabalho, a variável de decisão do sistema é o volume outorgado e o estudo leva em consideração a capacidade de autodepuração, o enquadramento em classes de uso, o regime de vazão do corpo hídrico, a qualidade da água captada e os prejuízos, em termos de qualidade da água, ocasionados pelos usuários-poluidores aos usuários de jusante. A ferramenta de auxílio aqui oferecida é um Sistema de Suporte a Decisão (SSD), denominado RB, que apresenta: um módulo Interface, um módulo Modelos, constituído pelo modelo de outorga e cobrança pelo uso da água RM1 e pelo modelo de qualidade das águas QUAL2E e, por fim, um módulo Dados, que representa os dados de entrada e saída do sistema. O SSD RB foi aplicado à bacia do rio Jundiaí, afluente do rio Tietê, localizado no Estado de São Paulo. Na aplicação do SSD RB, foi realizada uma análise comparativa para a variação de cenários relativa a Classes de Uso do corpo hídrico, vazões de referência e diferentes valores de cobrança que podem ser utilizados. A aplicação do SSD RB reflete a necessidade de uma articulação sistemática entre os instrumentos da Política Nacional de Recursos Hídricos, apoiada na diretriz de gestão integrada de recursos hídricos, ou seja, existe um único corpo de trabalho (a gestão de recursos hídricos) cujos membros (instrumentos de gestão) só ganham sentido quanto articulados entre si com um mesmo objetivo: a garantia de água de boa qualidade com a quantidade necessária à atual e às futuras gerações. / The main objective of this study is to develop a set of tools to help with the implementation of water management mechanisms such as the analysis of authorization of water uses (permits) and water charging. An integrated analysis of both water quality and quantity is needed and the decision process must also take into account watershed plans and the designated uses of the water. In this study, the decision variable is the volume of water authorized in each permit. The tool developed in this study is a Decision Support System named RB, based on the QUAL2E model and an water permit and charging simulation system named RM1. The RB system was tested in the Jundiaí watershed, a tributary of the Tietê river located in the State of São Paulo. In this case study, several scenarios with different classification of water bodies, reference flows and water values were tested. The application of the system shows that water management tools must be applied in an integrated manner, mainly to reflect both aspects of water quality and quantity. Water management tools are to be articulated so that the main objective of supplying water with good quality and in an adequate amount is sustainable in the long run.