CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / The interaction between surface water and groundwater is a dynamic process in time and space influenced by factors such as soil moisture, hydrodynamic properties, geomorphology, storage and runoff. The quantification and modeling of the processes related to this dynamic constitute prerequisites for the effective water resources management, given that this interaction affects water availability, especially in semi-arid regions. Before this problem, this study aimed to simulate hydrological processes flow transmission between river and groundwater in basins characterized by distinct lithologies, inserted in the Brazilian semiarid region by generating a semi distributed and flexible hydrological model. Two distinct basins of Cearà semiarid region were monitored and used for application of the model developed. A watershed located in sedimentary structure with large underground water reserves (SÃo Jose watershed in the sedimentary basin of Araripe - South of CearÃ) and the other one inserted into the crystalline environment and characterized by water scarcity (Patos-CariÃs-Iguatu subbasin - Jaguaribe river stretch in the Central-South region of CearÃ). The monitoring of these areas between 2010 and 2014 enabled the generation of data and the choice of 10 events from each watershed monitored to evaluate the dynamic river-aquifer. In the evaluation of the data obtained by the monitoring observed aquifer recharges when large volumes precipitates occur in short periods of time. The high temporal spacing difficult the generation of large flows and the rising water levels of the alluvial aquifer. The proposed model was developed considering the three main processes of river-aquifer interaction: full wave propagation, vertical infiltration and groundwater flow. The simulations of the events showed that conductance of the riverbed and effective porosity are the most sensitive parameters of the model. Variations of these parameters allowed the reduction of flood peaks and consequently increases in the aquifer hydraulic loads. However, the simulations showed an underestimation of the hydraulic loads of the aquifer. For the surface discharges were obtained low efficiency ratios (-16.73 to -3.43) for short-term events and small magnitude. Already for long term events and high magnitude, the Nash and Sutcliffe efficiency coefficient performed between 0 and 1 (0.35 to 0.49), indicating a good behavior of the models used. However, for these events the average absolute error between the measured and the simulated loads remained high. The model needs to be adjusted to better define the dynamics of the river-aquifer interaction. A greater number of simulations in both watersheds, with the available events could indicate better where adjustments must be made. The possibility of application of MIRAS model in different lithological means and different spatial scales of semi-arid regions was not possible due to the inability to simulate the model for MHSJ. Thus, one must understands the failure to formulate an alternative and possibly improve the model. Because the use of this tool is the best option for resolving problems and decision making. / A interaÃÃo entre Ãgua superficial e subterrÃnea à um processo dinÃmico no tempo e no espaÃo influenciado por fatores como umidade do solo, propriedades hidrodinÃmicas, geomorfologia, armazenamento e escoamento superficial. A quantificaÃÃo e a modelagem dos processos relacionados a essa dinÃmica constituem-se prÃ-requisitos para a gestÃo eficiente de bacias hidrogrÃficas, haja vista que essa interaÃÃo afeta a disponibilidade hÃdrica, principalmente em regiÃes semiÃridas. Diante dessa problemÃtica, este estudo objetivou simular processos hidrolÃgicos de transmissÃo de fluxo entre rio e aquÃfero em bacias hidrogrÃficas caracterizadas por litologias distintas, inseridas na regiÃo semiÃrida brasileira, atravÃs da geraÃÃo de um modelo hidrolÃgico semidistribuÃdo e flexÃvel. Duas bacias hidrogrÃficas distintas da regiÃo semiÃrida cearense foram monitoradas e utilizadas para aplicaÃÃo do modelo desenvolvido. Uma microbacia localizada em meio sedimentar com grandes reservas hÃdricas subterrÃneas (microbacia hidrogrÃfica do SÃo Josà na bacia sedimentar do Araripe â Sul do CearÃ) e a outra inserida no meio cristalino e caracterizada por escassez hÃdrica (bacia hidrogrÃfica Patos-CariÃs-Iguatu â trecho do rio Jaguaribe na regiÃo Centro-Sul do CearÃ). O monitoramento dessas Ãreas entre 2010 e 2014 possibilitou a geraÃÃo de dados e a escolha de 10 eventos de cada bacia monitorada para avaliaÃÃo da dinÃmica rio-aquÃfero. Na avaliaÃÃo dos dados obtidos pelo monitoramento observou-se recargas aquÃferas quando grandes volumes precipitados ocorrem em curtos espaÃos de tempo. O elevado espaÃamento temporal dificultaram a geraÃÃo de grandes vazÃes e a elevaÃÃo dos nÃveis freÃticos do aquÃfero aluvionar. O modelo proposto foi elaborado considerando os trÃs principais processos da interaÃÃo rio-aquÃfero: propagaÃÃo de onda de cheia, infiltraÃÃo vertical e fluxo subterrÃneo. As simulaÃÃes dos eventos mostraram que condutÃncia do leito do rio e porosidade efetiva sÃo os parÃmetros mais sensÃveis do modelo. VariaÃÃes desses parÃmetros possibilitaram a reduÃÃo dos picos de cheia e consequentemente acrÃscimos nas cargas hidrÃulicas aquÃferas. No entanto, as simulaÃÃes realizadas apresentaram subestimativas das cargas hidrÃulicas do aquÃfero. Para as descargas superficiais obteve-se baixos coeficientes de eficiÃncia (-16,73 a -3,43) para eventos de curta duraÃÃo e pequena magnitude. Jà para eventos de longa duraÃÃo e elevada magnitude, o coeficiente de eficiÃncia de Nash e Sutcliffe apresentou-se entre 0 e 1 (0,35 a 0,49), indicando um bom comportamento dos modelos utilizados. No entanto, para esses eventos o erro mÃdio absoluto entre as cargas medidas e as simuladas continuaram elevados. O modelo precisa de ajustes para definir melhor a dinÃmica da interaÃÃo rio-aquÃfero. Um nÃmero maior de simulaÃÃes nas duas bacias hidrogrÃficas, com os eventos disponÃveis poderia indicar melhor onde devem ser feitos os ajustes. A possibilidade de aplicaÃÃo do modelo MIRAS em diferentes meios litolÃgicos e escalas espaciais distintas de regiÃes semiÃridas nÃo fora possÃvel devido à impossibilidade de simular o modelo para a MHSJ. Dessa forma, precisa-se entender as falhas para formular uma alternativa e, possivelmente, melhorar o modelo. Pois, o uso dessa ferramenta à a melhor opÃÃo para a resoluÃÃo de problemas e tomada de decisÃo.

A precipitação é uma das principais variáveis hidrológicas analisadas antes de ser fornecida como dado de entrada aos modelos chuva-vazão. As dificuldades para quantificar o valor da chuva, de modo a representar o evento que verdadeiramente ocorre na bacia hidrográfica, provêm principalmente da alta variabilidade espacial da precipitação, da quantidade de postos distribuídos em uma área, das falhas existentes nas séries pluviométricas (falhas nos aparelhos, no processamento dos dados e por perdas dos dados). Uma das formas de quantificar o valor da chuva em uma determinada área para uso em modelos concentrados chuva-vazão, a partir de uma rede de pluviômetros, pode ser com base na Media Aritmética ou na Mediana, que foi uma das propostas desta pesquisa. Os métodos para se obter estas estatísticas pontuais seriam mediante a utilização dos cálculos diretos aplicados nos postos presentes dentro dos limites da bacia, ou através dos valores dos nós de uma grade regular localizados no interior da bacia, com os valores destes nós estimados por interpolação de medidas pontuais posicionadas no interior e fora dos limites da bacia. Os interpoladores utilizados foram o Inverso do Quadrado da Distância, O Vizinho mais Próximo, O Vizinho Natural e a Triangulação Linear. O método de interpolação mais adequado, para as situações encontradas nas séries de precipitação, foi selecionado com o uso da Técnica da Validação Cruzada, ao qual, o método do Vizinho Natural apresentou melhor desempenho. As séries das precipitações médias e medianas diárias obtidas pelos Cálculos Diretos, e após a espacialização com o Interpolador Vizinho Natural, foram utilizadas como dados de entrada no modelo chuva-vazão concentrado conceitual IPH II, versão WIN_IPH II, em diferentes escalas de bacias hidrográficas embutidas (9426 a 19,5 Km² ). Os resultados das vazões simuladas pelo modelo, após os processos de calibração, com o uso da calibração monoobjetivo SCE-UA, evidenciaram o melhor método, Cálculos Diretos ou Interpolação, e a estatística pontual, Media ou Mediana, que foi mais adequada a partir do desempenho do modelo nas etapas de calibração e de verificação dos parâmetros resultantes. Concluiu-se que além das falhas existentes influenciarem nas chuvas médias e medianas obtidas por cálculos diretos, a mediana não é uma estatística que representa bem o volume de chuva ocorrente na bacia, pois produziu baixo desempenho no modelo e valores de parâmetros sem significado físico para bacias rurais. Observou-se uma melhora nas duas estatísticas pontuais, após o cálculo da chuva média e da mediana com base nos valores dos nós da grade regular no interior da bacia, estimados pelo interpolador Vizinho Natural. O uso das estatísticas pontuais obtidas por este método produziu bom desempenho do modelo nas etapas de calibração e de verificação. A chuva média obtida por interpolação com o Vizinho Natural foi a estatística mais representativa para a maior parte das escalas analisadas. Este trabalho também mostrou a possibilidade de se fazer à transferência de parâmetros do modelo IPH II, com o uso da melhor estatística pontual, de bacias maiores para bacias menores, com o intuito de verificar situações para obtenção de vazões em bacias menores que não possuem medições fluviométricas. / Precipitation is a key hydrological variables analyzed before being supplied as input to rainfall-runoff models. The difficulties to quantify the amount of rain in order to truly represent the event that occurs in the watershed, primarily come from the high spatial variability of precipitation, the number of stations distributed in an area of flaws in the rainfall series (faults in apparatus in data processing and for loss of data). One way to quantify the amount of rainfall in a given area for use in concentrated rainfall-runoff models, from a network of rain gauges, can be based on the arithmetic mean or median, which was one of the purposes of this research. The methods to obtain these statistics would be off by using the direct calculations applied in these posts within the limits of the basin, or through the values of the nodes of a regular grid located inside the basin, we estimated these values by interpolation offs positioned inside and outside the boundaries of the basin. The interpolators used were the Inverse Square Distance, Nearest Neighbor, The Natural Neighbor and Linear Triangulation. The interpolation method most appropriate to the situations found in the precipitation series, was selected by using the Cross Validation technique, which the Natural Neighbor method showed better performance. The series of daily precipitation means and medians obtained by direct calculations, and after the spatial interpolator with Natural Neighbor, were used as input to rainfall-runoff model focused conceptual HPI II, version WIN_IPH II, at different scales of watersheds embedded (9426 to 19.5 km ²). The results of the simulated flows by the model after the calibration procedures, calibration using the SCE-UA monoobjetivo, showed the best method, Direct calculations or interpolation, and timely statistics, mean or median, which was more appropriate to the performance stages of the model calibration and verification of resulting parameters. It was concluded that besides the existing faults influence on rainfall averages and medians obtained by direct calculations, the median is a statistic that well represents the volume of rainfall occurring in the basin, because it produced lower scores in the model and parameter values without physical meaning to rural basins. We observed an improvement in the two point statistics, after calculating the mean and median rainfall based on the values of the nodes of regular grid within the basin, estimated by the Natural Neighbor interpolation. The occasional use of statistics obtained by this method produced good performance of the model in steps of calibration and verification. The average rainfall obtained by interpolation from the Natural Neighbor was statistically more representative for most of the scales analyzed. This work also showed the possibility of making the transfer of model parameters HPI II, using the best statistical point of basins larger for smaller basins, in order to check conditions for obtaining flows in smaller basins that have no measurements gauged.

O crescimento rápido e descontrolado da urbanização, principalmente nos países em desenvolvimento, vem provocando impactos significativos tanto no meio ambiente quanto para a própria população. A existência de áreas altamente impermeabilizadas traz como consequência o aumento do volume escoado superficialmente, causando aumento nas vazões máximas de até seis vezes a vazão de pré-urbanização. Surge, então, a necessidade de alternativas que solucionem ou reduzem os problemas relacionados ao aumento do volume escoado, não somente que os transfira para outro local. Neste sentido, pode-se aplicar as Melhores Práticas de Gestão (Best Management Practices – BMPs), medidas que servem no gerenciamento das águas pluviais em áreas urbanas, destacando-se os reservatórios de detenção. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver um método para avaliar a minimização do impacto hidrológico de uma bacia urbanizada para que ela se comporte de maneira hidrologicamente semelhante às condições de pré-urbanização, analisando os custos de implantação de bacias de detenção para evitar alagamentos à jusante. Para isso, fez-se uso de simulação hidrológica com modelo IPHS1 para determinação dos hidrogramas de saída dos afluentes da bacia estudada. O dimensionamento dos reservatórios foi realizado com a aplicação do método da curvaenvelope e a escolha dos melhores locais para implantação deu-se a partir da análise dos hidrogramas. Com isso, ajustaram-se funções do tipo Qp=f(V). Estas funções foram utilizadas no modelo de otimização não-linear, considerando-se diferentes restrições de custo. A área de estudo corresponde à bacia hidrográfica Mãe D’água, de 3,39 km², localizada na Vila Santa Isabel no município de Viamão/RS. Os resultados mostraram que a aplicação de uma técnica de otimização associada a um modelo hidrológico mostrou-se útil na avaliação dos custos de projetos de controle do escoamento pluvial (bacias de detenção) urbano para a bacia estudada, podendo servir como material de consulta para o Poder Público e Privado. Além disso, mesmo sem disponibilidade de dados hidrológicos observados e informações mais detalhadas acerca do processo de urbanização da área de estudo, é possível, através da aplicação da metodologia apresentada, desenvolver cenários para análise do aumento da zona urbana e quantificação do impacto hidrológico, para que assim o problema identificado seja minimizado. / The rapid and uncontrolled urbanization, especially in developing countries, has led to significant impacts on both the environment and people themselves. The existence of highly impermeable areas brings as consequence the increase in surface runoff volume, causing an increase in peak flows up to six times the pre-urbanization flow. This requires thus, the need of alternatives to solve or reduce the problems related to the increased volume disposed, and not only transferring it to another location. In this context, the Best Management Practices (BMPs) can be implemented, which are measures for managing storm water in urban areas as, for example, the detention reservoirs. Thus, this work aims to develop a method to evaluate the hydrological impact minimization of an urbanized basin, so that it can behave hydrologically similar to pre-urbanization conditions, analyzing deployment costs of detention basins to prevent flooding downstream. Hence, a hydrologic simulation model with IPHS1 has been used to determine the studied basin tributaries output hydrographs. The reservoirs sizing was evaluated with the application of the Envelope-Curve Method and the choice of the best localizations for their implantation was done by analyzing the hydrographs. Therefore, functions as Qp=f (V) were fitted. These functions were used in the nonlinear optimization model considering different costs constraints. The study area represents the Mãe D’água watershed, with 3,39 km², located at Vila Santa Isabel in Viamão/RS. The results showed that the application of an optimization technique associated with a hydrological model has proven to be useful in storm water runoff control projects costs evaluation (detention basins) for the urban study area and may serve as reference material for Government and Private institutions. Moreover, even without the availability of observed hydrological data and detailed information about the process of urbanization in the study area, it is possible, through the application of the presented methodology, to develop scenarios for analyzing the urban zone expansion and quantification of hydrological impact, in order to minimize the identified problem.

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No entanto, tais estimativas dependem de dados de séries históricas, o que pode ser problemático nos países em desenvolvimento devido a existência de um número insuficiente de seções com monitoramento fluviométrico, tornando a modelagem hidrológica de cheias uma ferramenta imprescindível. Diferentes métodos para estimativa de cheias vêm sendo apresentadas e utilizadas na literatura, com destaque para a do Hidrograma Unitário (HU), a do Hidrograma Unitário Instantâneo (HUI) e a do Hidrograma Unitário Instantâneo Geomorfológico (HUIG). Um modelo de HUI amplamente utilizados é o de Nash (HUIN), para o qual diversas propostas geomorfológicas vêm sendo desenvolvidas, estabelecendo relações para seus parâmetros a partir da caracterização física da bacia hidrográfica e da rede de drenagem. Durante a caracterização de bacias hidrográficas em softwares de geoprocessamento, a principal informação é a do relevo, obtida a partir de um Modelo Digital de Elevação (MDE), que pode ser obtido a partir de cartas topográficas, ou de imagens de radar (ex. SRTM) e sensor (ex. ASTER). O principal objetivo deste estudo foi avaliar a aplicabilidade e confiabilidade de diferentes fontes e escalas de informação do relevo visando à modelagem de cheias através do modelo de HUIN fundamentado em parâmetros geomorfológicos, tomando como base cinco bacias hidrográficas experimentais de diferentes características fisiográficas e dotadas de monitoramento hidrológico. Os MDEs utilizados foram obtidos de cartas topográficas na escala 1:50.000, de imagens SRTM com 30m e 90m, de imagens do banco de dados TOPODATA, de imagens ASTER, e somente para a menor bacia, de dados de um levantamento planialtimétrico. Foram selecionadas quatro propostas geomorfológicas para o HUIN, sendo duas delas baseadas na teoria do HUIG, e as outras duas em estudos empíricos realizados em diferentes bacias hidrográficas. Com base nos resultados obtidos para as bacias analisadas, as principais conclusões deste estudo foram: a) os parâmetros mais impactados pela fonte e escala da informação do relevo são a declividade do curso d’água principal e as razões de Horton e de Schumm; b) as bacias planas são mais suscetíveis a erros altimétricos e estes aumentam conforme a área da bacia diminui; c) não é possível observar uma combinação de proposta-MDE que descreva melhor ou pior o conjunto de bacias analisadas, nem levando em consideração a declividade, nem o tamanho da área das bacias; d) as propostas geomorfológicas que não dependem de informação da velocidade do escoamento apresentaram bons resultados em relação as baseadas na teoria do HUIG; e) a combinação de diferentes propostas permite estimar de forma satisfatória o comportamento do hidrograma de escoamento superficial direto e o tempo e a vazão de pico nas bacias estudadas. / Water is a natural resource indispensible to life and essential to regional economic development. Due to climate change, anthropic interferences, and rapid population growth, the occurrence of flood-related natural hazards in watersheds has increased. Watershed flood-related studies allow the estimation of peak streamflow and direct surface runoff hydrograph resulting from single or multiple rainfall events. However, such estimations are directly dependent on existing streamflow historical series, which might be troublesome in developing countries due to the lack of streamflow gauging stations. In this context, indirect flood estimation methods stand out. Among the different flood estimation methods presented in the literature, the Unit Hydrograph (UH), Instantaneous Unit Hydrograph (IUH), and Geomorphological Instantaneous Unit Hydrograph (GIUH) have caught researchers’ attention. The Nash’s IUH (NIUH) is one of the most widely used IUH models. Several geomorphological approaches have been developed for NIUH, thus relating its parameters to watershed and drainage network physical characteristics. During the characterization of watersheds in geoprocessing softwares, the main information is that of relief obtained from a Digital Elevation Model (MDE) which can be obtained from topographic maps or from radar images (e.g. SRTM) and sensor images (e.g. ASTER). The main objective of this study was to evaluate the applicability and reliability of different relief data sources and scales for determination of geomorphological parameters required to estimate floods from NIUH. This study took into account data sets from five experimental watersheds with different physiographical characteristics, which have hydrological monitoring. The DEMs analysed in this study were obtained from topographical maps in the 1:50,000 scale, SRTM images with 30 and 90-meter spatial resolution, TOPODATA database, ASTER images. For the smallest watershed, an in situ topographic survey was also carried out for DEM derivation. Four geomorphological approaches for the NIUH were selected; two of them were based on the GIUH theory, whereas, the others were adjusted from empirical studies conducted in different watersheds. Based on the results obtained for the analysed watersheds, the main conclusions were: a) the main watercourse’s slope and Horton’s and Schumm’s ratios are the most sensitive parameters to relief data sources and scales; b) flat watersheds are the most susceptible to altimetry errors, which increase as the watershed area decreases; c) it is not possible to identify any combinations of geomorphological approach-DEM that better or worse describe all the analyzed watersheds when assessing watershed slope or drainage area independently; d) the geomorphological approaches which do not depend on streamflow speed information presented satisfactory results when compared to those based on GIUH theory; and e) the combination of different approaches enables to satisfactorily estimate the behavior of direct surface runoff hydrographs and their peak streamflow and time in all the considered watersheds.

Orientadores: Daniel Joseph Hogan, Sônia Regina da Cal Seixas / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Filosofia e Ciências Humanas / Made available in DSpace on 2018-08-16T10:02:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Costa_AlexanderJosefSaTobiasda_D.pdf: 5147532 bytes, checksum: c6e2ceaf0806e36db240e66eec073a3e (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: A tese aborda a temática da água no ambiente urbano, destacando-se o recorte espacial da Grande Tijuca, um conjunto de bairros do município do Rio de Janeiro (RJ). As análises sobre a água a consideram dentro de um amplo quadro em que se situa como um recurso e também como um fator de risco para a população em geral. São considerados o acesso à água tratada, através da rede de abastecimento; a coleta de esgoto domiciliar pela rede geral; o escoamento da água das chuvas; e o risco de deslizamentos em função de chuvas intensas ou de grande magnitude. Os objetivos da tese são identificar o papel da água ao longo da história, notadamente na cidade do Rio de Janeiro, como recurso e como agente de risco para a sociedade, e desenvolver o conceito de exclusão hidrológica (exclusão de grupos sociais de situação ambiental sustentável no que se refere à água) e o índice de vulnerabilidade hidrossocial, que mostra a sobreposição espacial entre grupos populacionais muito pobres e com alta privação (vulnerabilidade socioeconômica) e áreas de risco hídrico. Dessa forma, são elaborados índices relacionados ao grau de exposição da população em relação às doenças de veiculação hídrica, às enchentes urbanas e aos deslizamentos de encostas. Esses indicadores reunidos compõem o índice de vulnerabilidade hidrossocial, que mostra como áreas da cidade e seus grupos sociais estão vinculados ao risco hídrico no contexto do meio ambiente urbano da cidade do Rio de Janeiro. Os índices propostos, visualizados no espaço a partir dos mapeamentos realizados, permitem a identificação dos riscos e das vulnerabilidades pelas quais passam uma significativa parcela da cidade. Assim, foi possível reconhecer nos mapeamentos realizados a expressão das formas e processos existentes no território e na sociedade cariocas. Levando-se em conta o elevado volume de dados e os diferentes e complexos passos metodológicos seguidos, acredita-se que os índices de risco hídrico, de vulnerabilidade socioeconômica e de vulnerabilidade hidrossocial alcançam êxito ao expressar por meio de números e de classificações qualitativas o que é observado e reconhecido na realidade / Abstract: This thesis considers the issue of water in urban areas, focusing on the spatial area of Grande Tijuca ("Greater? Tijuca), a cluster of neighborhoods in the north zone of the city of Rio de Janeiro (RJ). Water is analyzed within a broad framework, in which it is regarded both as a resource and a risk factor for the general population, taking into account the following factors: access to treated water through a supply network; the disposal of domestic sewage into the general network; rainwater runoff, and the risk of landslides as a result of heavy or prolonged rainfall. The aims of this thesis are to identify the role of water throughout history both as a resource and as an agent of risk to society, particularly in Rio de Janeiro, to develop the concept of "hydrologic exclusion? (the exclusion of certain social groups from an environment that is sustainable in terms of water) and to draw up a hydro-social vulnerability index, setting out the spatial overlap between highly economically and socially disadvantaged population groups (socioeconomic vulnerability) and areas of hydric risk. Indexes are drawn up of the degree of exposure of the population to water-borne diseases, urban floods and landslides. These combined indicators make up the hydro-social vulnerability index, which demonstrates how certain areas of the city of Rio de Janeiro and their social groups are vulnerable to hydric risk in the urban environment. The proposed indexes, viewed in space mapping, enable the identification of the risks and vulnerabilities to which a significant portion of the population of the city is subject. It is possible to visualize in the mappings an expression of the forms and processes which exist within the geographical territory and society of Rio de Janeiro. Taking into account the high volume of data and the range and complexity of the methodological steps employed, the author consider that the indexes of hydric risk and socio-economic and hydro-social vulnerability accurately reflect statistically that which is observed and experienced in reality / Doutorado / Aspectos Sociais de Sustentabilidade e Conservação / Doutor em Ambiente e Sociedade

Orientadores: Sueli Yoshinaga Pereira, Silvio Jorge Coelho Simões / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Geociencias / Made available in DSpace on 2018-08-06T14:53:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Soares_PauloValladares_D.pdf: 5205527 bytes, checksum: eb4881599c0c7069d10dde26bb2dac7e (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Esta tese apresenta os procedimentos para classificação de ÁreasHomólogas, relacionadas aos processos de infiltração, na Bacia Hidrográfica do Rio Paraíba do Sul. O método utilizado para adefinição destas áreas fundamenta-se na criação de ¿patches¿, agrupando algumas propriedadesdo terreno, as quais são capazes de armazenar água e manter a dinâmica hidrológica da bacia. Oselementos da paisagem utilizados na classificação destas áreas são: rochas e estruturas, relevo, solo, precipitação e uso do solo. Para cada tipo de elemento da paisagem aplicou-se um fator de escala de 1 a 5, que por sua vez corresponde a maior (5) ou menor (1) influência deste elementona capacidade de infiltração. A ferramenta utilizada na sobreposição dos mapas e na criação das Áreas Homólogas foi o ArcGIS®. A sobreposição dos mapas com os elementos da paisagemsendo estes devidamente ponderados, resultou em classes de capacidade de infiltração que variamde muito baixa a alta. Dois mapas de ÁreasHomólogas foram criados: um mapa regional, na escala 1:250.000, da porção média do Rio Paraíba do Sul,, com 7.600 km²; e um mapa da baciado Ribeirão Guaratinguetá, na escala 1:50.000, com 160km² a qual esta localizada na margemesquerda do Rio Paraíba do Sul. As ÁreasHomólogas, com alta capacidade de infiltração, estãosituadas entre os contrafortes da Serra da Mantiqueira e a planície aluvial na noroeste e a leste daBacia do Rio Paraíba do Sul, divisa do estado de São Paulo. Na área do Ribeirão Guaratinguetá as melhores áreas de infiltração estão na porção central e noroeste da bacia. Tanto em escalaregional quanto para a bacia representativa (Ribeirão Guaratinguetá) escarpas e áreas de planíciesaluvionares apresentam baixa capacidade de infiltração. No entanto, as áreas de escarpas podem ser consideradas como importantes áreas de transferência e as planícies aluvionares, como áreasde estocagem de água sendo esta responsável pelo abastecimento da rede de drenagem. A tesediscute e apresenta como indicadores ambientais: o uso da terra, posição e vazão das nascentes aolongo da vertente e vazão mínima dos cursos d¿água (vazão ecológica) / Abstract: This thesis intends to present procedures to classify Homologous Areas related to infiltration process in Paraíba do Sul river watershed. The method used to define these areas consist to create ¿patches¿, grouping several proprieties of the terrain in order to identify infiltration areas which are capable to suplly the storage water in the ground and to maintain the underground water system of the basin. The landscape elements used to classify these areas were: rocks and structures, land surface, soil characteristics, precipitation and land use. For each element itwas applied a values from 1 to 5 which corresponded the range of potential infiltration capacityvaring from low (1) to high (5). GIS (Arcview) was the tool used to overlay the maps of the atributes, already scaled according to its infiltration capacity, in order to create the map with the Homologous Areas. This procedure was carried out to evaluate the Homologous Areas in two scale: (1) regional map, 1:250,000 scale, was medium portion of Paraiba do Sul river, with 7,600square kilometers, and (2) Guaratinguetá river basin, 1:50,000 scale, with 160 square kilometers, located at left edge of Paraiba do Sul river. Homologous Areasin regional scale showed that high infiltration capacity areas are situated in hills, between scarps and alluvial plains in the north westportions of the region and in the east portion, limit of São Paulo State. For the Guaratinguetá river basin, the areas of high infiltration capacity are located in the central and northwest of the basin.For both analyses, scarp areas and alluvial plains presented low infiltration capacity. However, scarp areas are important in the transfer mechanism from production areas to storage areas. The aluvionar plains are capable to storage water and continuously supply the drainage systemwith it.This thesis discusses and indicates as environmental indicators: land use, dynamic of springs andminimum steam / Doutorado / Administração e Politica de Recursos Minerais / Doutor em Ciências

The evaluation of the hydrological regime constitutes a fundamental instrument for the management process in the use of water resources. The growth of water demand associated with other impacts occurred in the basin of the River São Francisco make the knowledge about the hydrologic characteristics an important instrument for the use of their water resources are optimized with less environmental impact, the analysis of changes in the lower of São Francisco river the analysis of changes in the lower of São Francisco river resulted from the successive introduction of dams along the stretches and their environmental effects are extremely important concerning the revitalization of this river. Therefore, In Chapter I, a In Chapter I, bibliographic review about the anthropic impacts and changes the system of flows in rivers is presented; a small part of Brazilian legislation on granting the right of use of water resources and some methods and questions that assist in setting instream flows. In Chapter II, In Chapter II, a characterization of the study area with emphasis on the lower of São Francisco river was performed. In Chapter III we evaluated the magnitude of changes in flow regime in the Lower of São Francisco, caused by the construction of Sobradinho and Xingó reservoirs, and also the changes in water availability. In Chapter IV the changes in flow regime after the construction of Xingó´s reservoirs were determined by relating these changes with some ecological implications. In Chapter V, are determined instream flows by different methods that may guide the effective management of water resources in such a way to promote a water management that fits human needs and protect the ecological integrity of the aquatic ecosystem. They were identified several hydrological changes in the lower part of the River São Francisco in the period after the construction of the dams, among those changes there are the decreasing in peak, medium and minimum flows, decreasing in water availability, the end of natural floods with reduction of marginal lagoons. / A avaliação de indicadores hidrológicos constitui-se em um instrumento fundamental para o processo de gestão de recursos hídricos. O crescimento da demanda de água associado a outros impactos ocorridos na bacia hidrográfica do rio São Francisco, torna o conhecimento das características hidrológicas uma ferramenta importante para que o aproveitamento de seus recursos possam ser otimizado com menor impacto ambiental, a análise das alterações ocorridas no baixo rio São Francisco decorrentes da implantação sucessiva de barragens em cascata ao longo dos trechos e seus efeitos ambientais são de extrema importância ao se buscar a revitalização deste curso d água. Portanto, no Capítulo I, é apresentada uma revisão bibliográfica sobre os impactos antrópicos e as mudanças do regime de vazões em rios, a legislação brasileira sobre outorga de direito de uso dos recursos hídricos e métodos e questões que auxiliam na definição de vazões ecológicas. No Capítulo II, foi realizada uma caracterização da área de estudo com ênfase para o baixo rio São Francisco. No capítulo III avaliou-se a magnitude das alterações no regime de vazões no baixo São Francisco, provocadas pela construção do reservatório de Sobradinho e Xingó, além das modificações na disponibilidade hídrica. No capítulo IV foi determinada as alterações no regime de fluxos após a construção dos reservatórios de Xingó, relacionando essas alterações com algumas implicações ecológicas. No Capítulo V, são determinadas as vazões ecológicas por diferentes métodos que poderá nortear o gerenciamento eficaz do recurso hídrico, de tal forma que se promova uma gestão das águas que atenda às necessidades humanas e proteja a integridade ecológica do ecossistema aquático. Foram identificadas diversas modificações hidrológicas no baixo rio São Francisco no período posterior as construções das barragens entre as quais se destacam: decréscimo nas vazões máximas, médias e mínimas (anuais e mensais), diminuição na disponibilidade hídrica e o fins das cheias naturais com redução das lagoas marginais.

nÃo hà / A observaÃÃo da superfÃcie terrestre por meio de satÃlites em Ãrbita de nosso planeta tornou-se corriqueira no mundo contemporÃneo. As inferÃncias de variÃveis ambientais diversas feitas a partir de imagens e dados fornecidos por satÃlites cada vez mais aumentam em qualidade e aplicabilidade de maneira que um nÃmero crescente de hidrologistas, meteorologistas, climatologistas e outros profissionais e leigos em geral fazem uso intensivo delas em estudos e pesquisas, em polÃticas governamentais ou na tomada de decisÃo. Uma dessas variÃveis à a umidade superficial do solo, que representa uma importante componente do ciclo hidrolÃgico terrestre, essencial em vÃrios processos naturais ambientais e cujo conhecimento à importante no gerenciamento dos recursos hÃdricos e terrestres, gerenciamento agrÃcola e na modelagem do meio ambiente e agrÃcola. As informaÃÃes derivadas de satÃlites, apesar de ainda apresentarem algumas limitaÃÃes tÃcnicas, podem facilitar bastante o monitoramento ambiental ao se tornarem, muitas vezes, mais Ãgeis e mais econÃmicas do que mediÃÃes locais in situ. Em paÃses em desenvolvimento e de limitados recursos financeiros, tais como o nosso, a informaÃÃo por satÃlites cresce em valor. No Estado do CearÃ, isso desponta ainda mais em virtude das suas dificuldades econÃmicas e sociais. Em vista disso, à proposta, neste trabalho, a aplicaÃÃo nesse estado do Nordeste de um mÃtodo de inferÃncia, por satÃlite, do estado geral da umidade superficial do solo expresso pelo Ãndice de Seca Temperatura-VegetaÃÃo (ISTV), que à indicativo do grau da umidade, estando a ela relacionado. Esse Ãndice à obtido a partir da combinaÃÃo de informaÃÃes da Temperatura da SuperfÃcie Continental (TSC) e do Ãndice de VegetaÃÃo por DiferenÃa Normalizada (IVDN), inferidos por meio de imagens no visÃvel e no infravermelho que podem ser fornecidas por satÃlites meteorolÃgicos operacionais, de Ãrbita polar, tais como os da sÃrie NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration, EUA). No mÃtodo, foi escolhido, da literatura cientÃfica, um algoritmo de cÃlculo da TSC que apresenta certa facilidade de uso, sendo diretamente dependente da FraÃÃo de Cobertura de VegetaÃÃo (FCV) e que pode fornecer boas inferÃncias dessa temperatura. Nesse algoritmo, foram testadas, de forma inÃdita, algumas diferentes formulaÃÃes da FCV encontradas na literatura especializada, representando uma delas o estado da arte no assunto. Foram usadas imagens provenientes do satÃlite NOAA-17, recepcionadas na FUNCEME, e um software especÃfico, dessa FundaÃÃo, para se processar as imagens e implementar a metodologia abordada. Alguns testes foram feitos para duas regiÃes relativamente pequenas do semiÃrido cearense, com destaque para uma delas englobando a Bacia Experimental de Aiuaba (BEA), comparando-se as informaÃÃes do satÃlite NOAA-17 com dados in situ (provenientes de sondas no solo) e com dados advindos dos satÃlites ambientais Terra (dados de TSC, disponÃveis na Internet) e Aqua (dados de umidade superficial do solo). Procurou-se mostrar as diferenÃas qualitativas entre os mapeamentos obtidos, de umidade superficial do solo, e entre estes e os oferecidos pela modelagem em geral. Os resultados encontrados mostraram-se promissores para a utilizaÃÃo no territÃrio cearense do ISTV (no modelo trapezoidal) por meio de satÃlites NOAA, com o algoritmo de Kerr para o cÃlculo da TSC e com a FCV dada pelo Scaled Difference Vegetation Index (SDVI), com o fim de se estimar o estado geral da umidade superficial do solo sobre grandes Ãreas. Entretanto, recomenda-se mais validaÃÃo local posterior do mÃtodo usado, para detecÃÃo de possÃveis erros ou limitaÃÃes nÃo vislumbradas nestes primeiros testes, visando sua definitiva aplicaÃÃo operacional no Cearà e mesmo no semiÃrido do Nordeste.

Este estudo objetivou avaliar o efeito das mudanças no uso e cobertura do solo nos últimos 37 anos (1972 a 2008) na resposta hidrológica da bacia do rio Piracicaba, SP. As principais mudanças de uso e cobertura do solo na bacia neste período foram aumento da área urbana, redução da área de pastagem e aumento do plantio de canade- açúcar. Além disso, a bacia conta com uma peculiaridade, que é a presença do Sistema Cantareira, que desvia água à região metropolitana de São Paulo (RMSP), desde 1974. Foi utilizado o Modelo Hidrológico de Grandes Bacias (MGB), que tem a vantagem de avaliar de forma distribuída a variação da cobertura, do tipo e uso do solo, além da própria propagação no escoamento. O modelo foi ajustado à bacia do rio Piracicaba (área de 12.245 km2) para simulação de vazões diárias. Para o processo de ajuste do modelo foram utilizados dados diários de 1972 a 2008, de 12 postos fluviométricos, 61 pluviométricos e 20 meteorológicos, modelo numérico do terreno, mapas de solos e uso e cobertura do solo (para os anos: 1978, 1983, 1985, 1997 e 2003), e parâmetros que são importantes para diferenciar tipos de solo e usos e coberturas do solo. O processo de simulação das vazões foi realizado em duas etapas: calibração dos parâmetros (entre 1972 a 1990) e verificação (1991 a 2008). Para avaliação da qualidade de ajuste foi considerada a análise visual dos hidrogramas (vazões observadas e calculadas) e os valores das funções objetivo (R2, Rlog e V). Foi realizada uma análise de sensibilidade de cada parâmetro, a fim de verificar a influência de cada um. Os resultados mostram um bom ajuste entre as vazões diárias observadas e calculadas pelo modelo. Os melhores resultados das funções objetivo foram obtidos para as sub-bacias de maior área de drenagem. O Sistema Cantareira exerce forte influência na simulação das vazões diárias. As análises de sensibilidade dos parâmetros revelam que os resultados da simulação do modelo são extremamente sensíveis às variações dos parâmetros: capacidade de armazenamento de água no solo (Wm); parâmetro de forma da relação entre o armazenamento e saturação (b); parâmetros de drenagem subterrânea (KBAS) e sub-superficial (KINT); albedo e resistência superficial (rS). Cenários alternativos em relação às mudanças no uso e cobertura do solo foram testados e comparados a simulação do cenário atual da bacia do rio Piracicaba no período entre 1972 e 2008. Comparando o cenário atual ao cenário em que não ocorreu nenhuma alteração na bacia a partir de 1972, verificou-se uma redução das vazões: máxima de 2,5 m3/s; mínima de 2,1 m3/s; e média de 1,9 m3/s. Outros cenários alternativos foram testados e comparados ao cenário atual e foi verificado um aumento da vazão média de 17,2 m3/s para cenário de 100% agricultura; e maior redução da vazão média de 3,9 m3/s para o cenário de conversão da agricultura para pastagem. / This study aimed at to evaluate the effect of changes in land use and land cover over the last 37 years (1972 to 2008) on the hydrological response in the Piracicaba river basin, SP. The main changes in the land use and land cover in the basin over that period were the increase in the urban area, decrease in the pasture area, and increase in the sugarcane plantations. Moreover, the basin has a peculiarity, which is the presence of the Cantareira System, which diverts water to the metropolitan region of São Paulo (RSMP), since 1974. We used a hydrological model of Great Basin (MGB), which has the advantage of evaluating in the distributed form, the variation of the land use/land cover, besides the flow propagation. The model was adjusted to the Piracicaba river basin (12,245 Km2 in area) to simulate daily streamflow. Daily data, from 1972 to 2008, were used for the process of model fitting, from 12 streamflow stations, 61 rainfall and 20 meteorological, digital terrain model, maps of soils and land use and land cover (for the years 1978, 1983, 1985, 1997 and 2003), and parameters that are important to differentiate soil types and uses and land cover. The process of simulation of the streamflow was carried out in two stages: calibration of parameters (from 1972 to 1990) and verification (1991 to 2008). To assess the quality of fitting it was considered the visual analysis of the hydrographs (observed and calculated streamflows) and the values of objective functions (R2, Rlog and V). We performed a sensitivity analysis of each parameter, in order to verify the influence of each one. The results showed a good fitting between the daily observed and calculated streamflows. The best results of the objective functions were obtained for the sub-basins of larger drainage area. The Cantareira System strongly influences the simulation of daily streamflow. Sensitivity analysis of parameters revealed that the simulation results of the model are extremely sensitive to variations of the parameters: soil water storage capacity (Wm), form parameter of the relationship between storage and saturation (b), parameters of drainage underground (KBAS) and subsurface (KINT), albedo and surface resistance (rS). Alternative scenarios for changes in the land use and land cover were tested and compared the simulation of the scenario actual of Piracicaba river basin in the period between 1972 and 2008. Comparing the scenario with no changes in the basin since 1972 to the actual scenario, a reduction in streamflow was detected: maximum of 2,5 m3/s, minimum of 2,1 m3/s, and an average of 1,9 m3/s. Other scenarios were tested and compared to the actual scenario, and it was detected an increase of the mean streamflow of 17,2 m3/s for scenario 100% of agriculture, and a decrease of the mean streamflow of 3,9 m3/s for the scenario of conversion from agriculture into pasture.

Se por um lado a estimação das vazões máximas pelos métodos tradicionais, estatístico (Análise de Frequência Local - AFL) e determinístico (Cheia Máxima Provável - CMP), vem sendo alvo de críticas, por outro, a Análise de Frequência Conjugada (AFC) e o método do Hidrograma Máximo Mais Provável (HMMP), mais recentemente proposto, evidenciam-se como ferramentas promissoras. A AFC consiste da combinação entre técnicas probabilísticas e determinísticas e o HMMP utiliza os conceitos do Hidrograma Unitário Curvilíneo (HUC) de Mockus e da distribuição temporal de chuvas dada por Huff. Este trabalho tem o intuito de aplicar os métodos AFL, AFC e HMMP de maneira a avaliar os procedimentos e peculiaridades de cada método e assim possibilitar uma análise comparativa. Os referidos métodos foram aplicados para as séries de vazões dos aproveitamentos hidrelétricos UHE Sobradinho e UHE Três Marias, localizados na bacia do rio São Francisco, e a estação fluviométrica Paso de Los Libres localizada na bacia hidrográfica do rio Uruguai. Foram avaliadas a estabilidade e a sensibilidade dos métodos à extensão da série, à variação da magnitude das menores vazões das séries de valores máximos e a influência da presença de outliers, nos valores máximos determinados. As análises da estabilidade e sensibilidade apresentam diferenças máximas entre as estimativas de vazões decamilenares de 321% para a Análise de Frequência Local, 64% para a Análise de Frequência Conjugada e 82% para o Hidrograma Máximo Mais Provável. Conclusões importantes foram obtidas, dentre as quais o fato dos métodos AFC e HMMP apresentarem vantagens em relação ao método AFL para todas as análises realizadas. O método do HMMP apresentou variação pouco significativa quanto à presença de outliers e influência da presença dos menores valores, sendo considerado o mais promissor dentre os três métodos e para as séries analisadas no presente trabalho. / If, on one hand, the estimation of peak flows by traditional statistical analysis (Local Frequency Analysis - AFL) and deterministic methods (Probable Maximum Flood - PMF) has been criticized, on the other, the Conjugated Frequency Analysis (AFC) and the method of Hydrograph Maximum Most Probable (HMMP), recently proposed, are highlighted as promising tools. The AFC consists of a combination of deterministic and probabilistic techniques and HMMP uses the concepts of Curvilinear Unit Hydrograph (HUC) by Mockus and temporal distribution of rainfall given by Huff. This paper aims to apply the AFL, AFC and HMMP methods in order to assess the procedures and peculiarities of each method and thus provide a comparative analysis. The methods were applied to the series of flows of hydroelectric Sobradinho and Três Marias, located in the São Francisco basin, and Paso de Los Libres fluviometric station located in the basin of the River Uruguay. Stability and sensitivity of the methods to extend the series, the variation of the magnitude of lower flows series of maxima and the influence of the presence of outliers in certain maximums were evaluated. The stability and sensitivity analyzes presented maximum differences between estimated decamilenares flow of 321% for the Analysis of Local Frequency, 64% for the Analysis of Combined frequency and 82% for Hydrograph Maximum Most Probable. The method presented HMMP negligible variation for the presence of outliers and influence of the presence of minor amounts, and it is considered the most promising among the three methods and for the series analyzed in this work.