Orientador : Prof. Dr. Irani dos Santos / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências da Terra, Programa de Pós-Graduação em Geografia. Defesa: Curitiba, 03/08/2016 / Inclui referências : fls. 98-113 / Área de concentração / Resumo: Os processos de armazenamento e transferência de carbono orgânico dissolvido (DOC) na paisagem são governados por interações entre processos hidrológicos e biogeoquímicos. Entretanto, a relação explícita no enriquecimento da água armazenada na bacia dada a interação de fontes de DOC, teores de carbono orgânico no solo (SOC) e a dinâmica do aquífero raso ainda é parcialmente compreendida e descrita. Neste estudo, o aquífero raso foi monitorado em uma rede de 12 poços implementados na encosta e nas zonas ripárias da bacia hidrográfica do rio Sagui (0,24 km²), localizada na região sul-brasileira. A concentração de DOC no aquífero raso foi quantificada assim como o teor de SOC, associados com o monitoramento hidrológico do aquífero raso e canal e análises estatísticas para avaliação da relação entre o funcionamento hidrológico da bacia e a variabilidade espaço-temporal da concentração de DOC no aquífero raso. Os poços monitorados exibiram comportamentos distintos com relação aos níveis do aquífero raso, teor de SOC e concentração de DOC, indicando ainda um controle sazonal na produção e armazenamento de DOC. Observou-se uma área de saturação dinâmica na encosta associada ao aquífero raso mais próximo da superfície (50% do tempo com nível freático menor que 0,5 m), rápida ascensão e lentos rebaixamentos. A relação entre a concentração de DOC e nível do aquífero raso assume um decaimento exponencial variável em profundidade para a seção de encosta influenciada pela ocorrência de solos com menores teores de SOC em profundidade, com limite máximo quando o aquífero raso se encontra próximo a superfície (nível freático menor que 0,1 m). Em condições de menor umidade, estes locais apresentam ainda as maiores concentrações de DOC na bacia dada a rápida dinâmica de ascensão e lento rebaixamento do aquífero raso próximo da superfície e do enriquecimento da água devido ao elevado teor de SOC nos horizontes superficiais do solo. Nas zonas ripárias, o aquífero raso apresenta rápidas ascensões e recessões durante a ocorrência de eventos associados a um déficit reduzido de armazenamento no perfil do solo. Nestes locais, observou-se ainda os maiores teores de SOC no perfil o solo, sem decaimento definido com a profundidade. Em períodos de maior armazenamento de água na bacia, as zonas ripárias apresentam as maiores concentrações de DOC em comparação a encosta. Nestes períodos as zonas ripárias e encostas apresentam reduzido déficit de saturação e uma situação de conectividade quasi-permanente onde as frações de DOC produzidas entre eventos são mobilizadas continuamente das áreas saturadas da encosta para a zona ripária. Este estudo indica que, em bacias hidrográficas de cabeceira em condições subtropicais, a dinâmica das áreas fontes de carbono orgânico dissolvido estão relacionadas ao comportamento do aquífero raso e os mecanismos de geração de escoamento. Palavras-chave: carbono orgânico dissolvido, aquífero raso, mecanismos de geração de escoamento, hidrologia de encosta. / Abstract: Storage and fluxes of dissolved organic carbon (DOC) are governed by interactions between hydrological and biogeochemical processes in landscape. However, the relationship of DOC enrichment in catchment water storage are poorly described due uncertainties on the interaction of shallow groundwater dynamics and soil organic carbon. We monitored a network of 12 shallow groundwater wells on hillslopes and riparian zone in a 0.24 km² catchment in southern Brazil. We used DOC analysis and soil organic carbon measurements together with groundwater and stream gauging and statistical analyses to evaluate relationships between catchment functioning and the spatiotemporal variability of DOC concentration. Riparian zone and hillslopes had a contrasting behaviour in relation of groundwater level, SOC content and DOC concentration showing a marked seasonality on DOC yield and storage. We observed a highly dynamic saturation area (50% with water table level below 0,5 m) in the lower foot slopes where groundwater was characterised by a rapidly rising and a slowly decaying during storm events. In the hillslopes, the relationship between DOC concentration and GW level follows an exponential function with depth and highly affected by soils with lower SOC contents in depth and higher DOC concentrations when GW shows a water table level within 0,1 m of the soil surface. During the driest period, the lower foot slopes shows higher DOC concentrations due the persistence of GW at or very near saturation and the water enrichment due the highest SOC content on superficial layers of soil. In the riparian zone, GW shows quickly rising and falling limb on the hydrograph during rainfall events associated with a reduced water storage deficit. Riparian zone soils were characterized with the highest SOC contents with no explicit relation between depth and decaying. During the wettest period, the riparian zones showed highest DOC concentration than hillslopes. In these periods, both riparian zone and hillslopes showed a reduced water storage deficit and a quasi-permanent hydrological connectivity where DOC production between rainfall events are transported continuously from saturated areas on hillslopes to riparian zones. This study demonstrated that DOC spatial sources in headwater systems in subtropical environments are linked with streamflow generation processes and GW dynamics. Keywords: dissolved organic carbon, shallow groundwater, streamflow generation processes, hillslope hydrology.

Orientador: Adilson Pinheiro. / Dissertação (Mestrado em Engenharia Ambiental) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Centro de Ciências Tecnológicas, Universidade Regional de Blumenau, Blumenau.

Orientador : Prof. Dr. Irani dos Santos / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências da Terra, Programa de Pós-Graduação em Geografia. Defesa: Curitiba, 27/03/2013 / Inclui referências / Resumo: Este trabalho discute com base no monitoramento e modelagem de processos hidrológicos a influência da distribuição espacial das condições antecedentes de umidade e da espessura do solo hidrológico na bacia experimental do rio Saci, com área de 10 ha, totalmente coberta com floresta, localizada no município de Rio Negrinho, SC. Foram analisados os hidrogramas de 20 eventos com discretização temporal de 10 minutos, ocorridos entre julho e novembro de 2008, frente ao conjunto dos dados monitorados e pela aplicação do modelo hidrogeomorfológico TOPOG_SBM. O modelo é totalmente distribuído, considerando variações nas propriedades físico hídricas dos solos baseado nas premissas do modelo TOPMODEL. As simulações foram realizadas com período de aquecimento de 200 dias. Os resultados demonstram que o desempenho do modelo é condicionado pelas condições iniciais de umidade no início das simulações. De maneira geral, os resultados das simulações indicam que o modelo subestima as vazões médias e máximas observadas na bacia e superestima a presença de áreas saturadas. Posteriormente foram realizadas simulações sem o período de aquecimento. Os resultados desta etapa demonstram ser fundamental a caracterização adequada das condições antecedentes de umidade para a simulação adequada dos processos presentes na bacia em questão. Conclui-se adicionalmente que nos modelos distribuídos o método contínuo é o mais adequado para esta caracterização. Por fim, foram realizados testes ampliando e reduzindo a espessura do solo hidrológico simulado. Os resultados desta etapa corroboram com a bibliografia, indicando que bacias com solos mais rasos tendem a apresentar maiores áreas saturadas, picos mais elevados de vazão e recessões abruptas. Por outro lado, solos mais espessos diminuem e atrasam alguns picos de vazão, propiciando recessões atenuadas. Ressalta-se que do ponto de vista do desempenho da modelagem, o cenário com solos mais espessos apresentou os melhores resultados quando comparados aos hidrogramas observados e a dinâmica de áreas saturadas da bacia estudada. Palavras-chave: TOPOG_SBM; umidade antecedente; e espessura do solo hidrológico. / Abstract: This paper aims to evaluate the influence of spatial distribution of antecedent moisture conditions and the thickness of the hydrological layer on hydrological processes in the Saci River Experimental Watershed, a 10-ha fully forested area in Rio Negrinho, Santa Catarina, Brazil. The hydrographs of 20 events with 10-min time discretizations that occurred between July and November 2008 were analyzed, compared with the monitored data, and applied to TOPOG-SBM, which is a topographic hydrogeomorphological sample bucket model. This model is fully distributed and considers the variations of physical soil properties derived from the premises of TOPMODEL. The simulations were performed with a warm-up period of 200 days. The results show that the model's performance is affected by the initial moisture conditions at the start of the simulation. Generally, the simulation results show that the model underestimates the average and maximum flows observed in the basin and overestimates the presence of saturated areas. Subsequent simulations were performed without a heating period. These results were shown to be fundamental for adequate characterization of the antecedent moisture conditions for proper simulation of the processes in the studied basin. We concluded that the continuous method is the most suitable characterization of moisture for distributed models. Finally, tests were performed to enlarge and reduce the thickness of the simulated hydrologic soil layer. The results of this step corroborate the results of previous studies, indicating that watersheds with shallower soils tend to have higher saturated areas, higher peak flow, and abrupt downturns. Conversely, thicker soil flow decreases and delays some peaks, providing attenuated recessions. From the perspective of model performance, the scenario with thicker soils showed the best results when compared with the observed hydrograph and the dynamics of the saturated study areas. Keywords: TOPOG_SBM; antecedent moisture; hydrological soil thickness

Orientador : Prof. Dr. Tony Vinicius Moreira Sampaio / Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências da Terra, Programa de Pós-Graduação em Geografia. Defesa: Curitiba, 11/08/2016 / Inclui referências : fls. 133-148 / Área de concentração / Resumo: Mapeamentos das redes de drenagens vem sendo conduzidos, inicialmente a partir de interpretação visual de imagens, depois com auxilio de algoritmos para extração automática. Em detrimento da melhora na resolução espacial das imagens e na variedade dos algoritmos disponíveis, cada um deles com estratégia diferente para a geração dos canais de drenagem, a acurácia dos mapeamentos ainda e um problema recorrente. Nesta pesquisa avaliou-se o potencial de aplicação de técnicas de inteligência artificial no processo de extração automática de redes de drenagem, visando melhorar acurácia do mapeamento. Um banco de dados espaciais foi construído, e reuniu dados oriundos do Modelo Digital de Elevação - MDE, parâmetros morfométricos, imagens SAR e SPOT 5, geologia, geomorfologia, hidrogeologia e solo. Uma Rede Neural Artificial - RNA foi criada para classificar amostras nas classes drenagem e não drenagem. A RNA, do tipo perceptron multicamadas com algoritmo de retropropagação de erros (backpropagation), foi definida com uma camada de entrada com 42 neurônios (quando usadas todas as variáveis possíveis), três camadas escondidas com 119 neurônios e uma camada de saída. A rede foi treinada a partir de quatro conjuntos de dados, e os testes realizados a partir de outros 16 conjuntos distintos de testes contendo amostras diferentes daquelas usadas no treinamento. Percebeu-se que a RNA foi mais eficiente na classificação dos conjuntos de dados com pixel de 2,5 metros, quando foram usadas na camada de entrada da rede todas as variáveis disponíveis e a camada de saída continha apenas duas classes (drenagem e não drenagem). Neste caso, a acurácia total ficou sempre acima de 68%. Foram identificados canais de primeira ordem que não constavam na base cartográfica de referencia. A melhoria da acurácia temática e da completude foi observada, atestando que mineração de dados e RNA podem efetivamente contribuir na melhoria dos mapeamentos. Palavras-chave: Mineração de dados. Redes Neurais Artificiais. Hidrologia. Cartografia. Qualidade de Dados Geoespaciais. / Abstract: Mapping of drainage networks have been performed using visual interpretation of images, at first, then with the assist of automatic extraction algorithms. The limitation of spatial resolution of the available images and the diversity of available algorithms with different approaches in generating drainage channels, the accuracy level of this kind of mapping is still a frequent problem. This research evaluated the potential application of artificial intelligence techniques in auto-extracting process of drainage networks, in order to improve the mapping accuracy. A spatial database was built using data from: the Digital Elevation Model - DEM, morphometric parameters, SAR and SPOT 5 images, geology, geomorphology, hydrogeology and soil. An Artificial Neural Network - ANN was created to classify samples in classes of drainage and non-drainage. The multilayer perceptron ANN, with error back propagation algorithm, was set with one input layer with 42 neurons (when all possible variables were used), three hidden layers of 119 neurons and an output layer. The network was trained from four datasets, and tests from 16 other distinct sets of tests with different samples from those used in training. The ANN was more efficient in classification of datasets with 2.5 meters pixels when all available variables were used in the network's input layer and the output layer had only two classes (drainage and non-drainage). Following this scenario, the overall accuracy has been always above 68%. First order draining channels were identified where nothing was described in the base map reference. The improvement of thematic accuracy was observed, confirming data mining and RNA as an effective way to contribute to the improvement of this sort of mapping. Key-words: Data Mining. Artificial Neural Networks. Mapping. Hidrology. Cartography. Geoespatial Data Quality.

Orientador: Didier Gastmans / Resumo: A compreensão dos processos de geração de escoamento nos rios torna necessário o entendimento das interações existentes entre as águas superficiais e subterrâneas, identificando a importância do fluxo de base (FB), e consequentemente dos processos de recarga, para as estimativas de balanço hídrico. A recarga representa a entrada da água na zona saturada e o FB representa a fração do escoamento produto da conexão entre o canal e o aquífero. Em épocas de estiagem a água subterrânea é considerada como a principal componente do FB, e em regiões úmidas é possível se associar a recarga com o FB. No presente estudo foram realizadas as estimativas do FB para 17 sub-bacias localizadas na bacia do rio Atrato (Colômbia). A partir da análise do comportamento temporal da descarga, e considerando o Q90 como parâmetro comparativo do FB, foi identificada uma estreita relação com as variáveis fisiográficas. As bacias com Q90 entre 5,3 e 10,0 mm/dia correspondem as menores declividades médias no curso do rio e Q90 inferiores (1,0 e 5,2 mm/dia) correspondem as maiores declividades. Não foi identificada uma correlação forte entre o FB e a litologia, a partir do qual ressalta-se a importância de categorizar as unidades hidrogeológicas de uma maneira mais detalhada. Posteriormente, foi realizada uma análise de recessão, que definiu a recessão característica (12,8<K[dia]<28,0) e o coeficiente de recessão das bacias (0,92<c<0,96), e consequentemente a separação do hidrograma implementando os seguint... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Comprehension about runoff generation process in rivers becomes necessary to understand interactions between surface and groundwater, identifying the importance of base flow (BF) and recharge processes in water balance applications. Recharge represents the water entrance into the saturated zone and the BF shows the fraction of the runoff result from the connection between the river and the aquifer. On dry periods groundwater is the main component of the BF, which in wet regions is associated with the recharge. In this study, the BFs were estimated for the 17 subbasins, located in the Atrato River basin (Colombia). Through the analysis of the temporal behavior of the river discharge and considering the Q90 as a comparative parameter of the BF, a close relationship between the Q90 and the physical variables was identified. Basins with Q90 between 5.3 and 10.0 mm/day correspond to rivers with higher slopes and lower Q90 (between 1.0 and 5.2 mm/day) correspond to basins with lower river slopes. A correlation between BF and lithology was not identified, which proves the importance of the detailed classification of the hydrogeological units. Subsequently, a recession analysis was performed, which allowed for the definition of the characteristic recession (12.8<K[day]<28.0) and the recession coefficient of the basins (0.92<c<0.96). Finally, the separation of hydrographs was done using the flowing digital filters: Lyne and Hollick filter (FLH), Chapman and Maxwell filter (FCM), Eckha... (Complete abstract click electronic access below) / Resumen: La comprensión de los procesos de generación de escorrentía en los ríos hace necesario el entendimiento de las interacciones existentes entre las aguas superficiales y subterráneas, identificando la importancia del flujo base (FB) y de los procesos de recarga en aplicaciones de balance hídrico. La recarga representa la entrada de agua en la zona saturada y el FB representa la fracción de la escorrentía producto de la conexión con el acuífero. En periodos secos el agua subterránea es la principal componente del FB, que en regiones húmedas es asociado con la recarga. En este estudio fueron estimados los FB para 17 subcuencas, ubicadas dentro de la cuenca del río Atrato (Colombia). A partir del análisis del comportamiento temporal de la descarga del río y considerando el Q90 como parámetro comparativo del FB, fue identificada la estrecha relación entre el Q90 y las variables físicas. Cuencas con Q90 entre 5,3 y 10,0 mm/día corresponden a ríos con mayores pendientes y Q90 inferiores (entre 1,0 y 5,2 mm/día) corresponden a cuencas con menores pendientes del río. No fue identificada una correlación entre o FB y la litología, por lo que se resalta la importancia de una clasificación detallada de las unidades hidrogeológicas. A continuación, fue realizado un análisis de recesión, que permitió la definición de la recesión característica (12,8 <K[día] < 28,0) y el coeficiente de recesión de las cuencas (0,92 <c< 0,96), y posteriormente la separación del hidrograma usando los siguientes... (Resumen completo clicar acceso eletrônico abajo) / Mestre