O objetivo deste trabalho foi propor, entre os índices já existentes, um índice que avalie a qualidade da cobertura vegetal em relação à sua função ecológica, no meio urbano. Para a composição deste índice, compararam-se os métodos de amostragem aleatória simples e de amostragem estratificada de inventários da arborização de calçadas com o censo, com a finalidade de se escolher o melhor método de levantamento quali-quantitativo para árvores de calçada. Determinou-se o número de árvores por quilômetro, número total de árvores, Índice de Diversidade de Shannon (IDS) para árvores de calçada. Foram calculados o Índice de Espaços Livres de Uso Público (IELUP), a Porcentagem de Espaços Livres de Uso Público (PELUP), o Índice de Cobertura Vegetal em Áreas Urbanas (ICVAU) e o Índice de Verde por Habitante (IVH). Foram utilizadas planta baixa digital, fotografia aérea e videografia para mensurar as áreas ocupadas pela vegetação. A unidade de paisagem escolhida para estudo foi o bairro Santa Cecília em Piracicaba, Estado de São Paulo, Brasil, nos anos de 2000 a 2003. O levantamento amostral qualitativo das árvores de calçada foi feito por amostragem aleatória simples, escolhido, no trabalho, como o melhor método para inventariar árvores de rua. Considerando o ano de 2003, para a proposição do índice, os resultados obtidos foram: a) o IELUP variou de 11,42 a 41,62m2/hab (videografia); b) o PELUP variou de 1,52% a 2,89%; c) o ICVAU foi de 25,76m2 (forração + cobertura arbórea) e de 16,48 m2 (cobertura arbórea); d) o IVH foi de 101,96m2/hab (forração + cobertura arbórea) e de 65,21m2/hab (cobertura arbórea). Para a avaliação de espaços verdes urbanos foi feita discussão em função de obter-se um chamado “Índice de Qualidade do Espaço Verde Urbano” (IQEVU), particularizado para a função ecológica, então denominado “Índice de Qualidade do Espaço Verde Urbano com Função Ecológica” (IQEVUe). Os parâmetros para avaliação deste último índice foram: sombreamento, para árvores de calçadas; hidrologia, fixação de Carbono e influência de temperatura, para todos os espaços verdes. O IQEVUe mostrou-se adequado e coerente para mensurar os benefícios da vegetação em áreas urbanas, fornecendo subsídios para o planejamento e o manejo de cidades. / The aim of this work was to propose a new index, amongst other already known, that evaluates the quality of green coverage in relation to its ecological role in urban environment. To elaborate this index, simple random and stratified random sampling were compared with the census, in order to assess the best qualitative and quantitative method to do the tree inventory. A survey of sidewalk arborisation, as well as trees per kilometre, total number of trees and the Shannon Diversity Index (IDS) of sidewalk trees were evaluated. Amongst the studied indexes were the Index of Open Spaces for Public Use (IELUP), Percentage of Open Spaces for Public Use (PELUP), Index of Green Coverage for Urban Areas (ICVAU) and Index of Green per Inhabitant (IVH), by means of digital plan, aerial photography and videography for the areas covered by vegetation measurement. Santa Cecilia District in Piracicaba City, Sao Paulo State, Brazil, was the object of study from 2000 to 2003. The qualitative sampling survey of trees was carried out by simple random sampling, as found to be the most adequate to survey sidewalk trees. Data obtained for 2003, the year chosen to propose the new index, were: a) IELUP varied from 11.42 to 41.62m2/inhab, using videography; b) PELUP varied from 1.52% to 2.89%; c) ICVAU was 25.76m2 (coverage + tree canopy) and 16.48m2 ( tree canopy ); d) IVH consisted of 101.96m2/hab (coverage + tree canopy) and 65.21m2/inhab (tree canopy). The index for the evaluation of green spaces, so named “Index for Quality of Green Urban Space” (IQEVU) was one of the subsidies to study and propose the “Index for Quality of Green Urban Space with Ecological Role” (IQEVUe). The parameters for evaluation of such index were the shading from sidewalk trees; hydrology, Carbon sequestration and temperature influence for all green space. In this study, the proposed IQEVUe seems to be adequate and coherent as an evaluation method for the benefits of urban vegetation, providing subsidies for the planning and management of cities.

[pt] Na maior parte das bacias hidrográficas do mundo, observa-se a ocupação intensiva, com usos inadequados do solo e da água. No Brasil, a situação não é diferente, onde se constata graves problemas de deslizamentos de encostas e enchentes. Assim, esse trabalho pretende contribuir para as intervenções em bacias hidrográficas urbanas, baseada nos princípios do desenvolvimento sustentável. A área de estudo adotada é a Bacia Hidrográfica do Rio Joana, localizada nos bairros do Andaraí, Tijuca, Vila Isabel e Maracanã, que foi objeto de projeto piloto, sub-bacia do Canal do Mangue, uma das bacias mais antigas urbanizadas e problemáticas da cidade. O projeto citado apresenta avaliação e diagnóstico do regime do rio; da forma de ocupação da bacia; dos impactos ambientais gerados; dos efeitos das enchentes, dentre outros. Buscou-se, através de pesquisa bibliográfica em documentos históricos e em outras fontes, elucidar as origens e desenvolvimento dos problemas enfrentados atualmente na bacia e melhor compreender o processo de ocupação/uso do solo e os seus impactos sobre os recursos naturais. Constata-se a necessidade de implantar uma gestão integrada do uso da água, do solo e do saneamento básico apoiados em programas de educação ambiental. / [en] This research seeks to provide a contribution on intervention in urban watersheds, based on the principles of sustainable development. The study area adopted is the Joana River s Basin, located at the Andaraí, Tijuca, Vila Isabel neighborhoods and at the Maracanã Stadium, which was the object of this pilot project of the Mangue Channel sub-basin (UFRJ, 2002; UERJ, 2002). It should be emphasized that sustainable development is understood by those ones who seeks to satisfy the needs of the present generation without compromising the ability of future generations when they meet their own needs. Main Topics included in the principal study: a) Studying the historical evolution of the usage of urban - land in the City of Rio de Janeiro, with emphasis on aspects of pluvial water drainage. b) Characterizing the physiography including the network of macro - drainage, and land use at the Joana River s Basin. c) Evaluating the structural flood control measures in the Watershed study, understanding flood control as well as the flow control of the macro-drainage network focused at its containment within the adductor bodies. d) Analyzing the problem of flooding in the object of the basin study. e) Presenting and discussing alternatives to the problem studied.

Submitted by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2015-02-04T18:53:33Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 22974 bytes, checksum: 99c771d9f0b9c46790009b9874d49253 (MD5) Dissertacao_AvaliacaoQuantitativaDinamica.pdf: 9396761 bytes, checksum: 8919f4ad3f75bd2eb0a9fc0491310410 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2015-02-05T14:20:42Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 22974 bytes, checksum: 99c771d9f0b9c46790009b9874d49253 (MD5) Dissertacao_AvaliacaoQuantitativaDinamica.pdf: 9396761 bytes, checksum: 8919f4ad3f75bd2eb0a9fc0491310410 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-02-05T14:20:42Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 22974 bytes, checksum: 99c771d9f0b9c46790009b9874d49253 (MD5) Dissertacao_AvaliacaoQuantitativaDinamica.pdf: 9396761 bytes, checksum: 8919f4ad3f75bd2eb0a9fc0491310410 (MD5) Previous issue date: 2012 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A análise do comportamento da precipitação em uma bacia hidrográfica é fundamental para a engenharia e gerenciamento dos recursos hídricos. A Região Hidrográfica Tocantins-Araguaia (RHTA) pela sua ocupação recente e potencialidades econômicas, ganha destaque no cenário nacional. Este trabalho avalia quantitativamente a dinâmica espaço-temporal da precipitação anual nesta região durante um período de 30 anos de dados. A dinâmica da precipitação pode ser analisada pelo cálculo da precipitação média em uma dada área, compondo assim mapas de isoietas de precipitação anual. No entanto, a confecção destes mapas requer um método de interpolação que melhor represente as características pluviométricas em locais não amostrados para posterior análise quantitativa do comportamento da precipitação. Para tanto, foram realizados análises exploratórias descritivas amostral e espacial como requisito de estacionaridade do método de interpolação geoestatístico, ajuste e validação do modelo teórico que se adéque ao variograma de precipitação anual. Após a confecção do mapa de isoietas pelo método de Krigagem Ordinária (sem tendência) e Krigagem Universal (com tendência) foi realizado o cálculo do volume precipitado na região hidrográfica pelo método dos contornos. A dinâmica espacial da precipitação foi realizada com base na análise da estatística descritiva, mapa de isoietas, mapa hipsométrico, Índice de Irregularidade Meteorológica (IMM) e Coeficiente de Variação. A dinâmica temporal foi analisada pela distribuição dos totais anuais de precipitação volumétrica para cada sub-bacia da RHTA, pelo Índice de Anomalia Padronizada, na variação interanual de precipitação e teste de tendência e magnitude representados respectivamente pelo Teste de Mann Kendall e Sen’s. Os resultados correlacionados com as anomalias meteorológicas do Oceano Atlântico (Dipolo) e Pacífico (ENOS) indicam o comportamento da precipitação bastante heterogêneo e com grande variabilidade temporal principalmente na sub-bacia Tocantins-Alto (TOA) (14%). Diminuição da amplitude pluviométrica, em anos de anomalia meteorológica intensa ocasionando um incremento de precipitação ao sul das sub-bacias TOA e ARA e diminuição da precipitação na sub-bacia TOB, em eventos de El Niño. Não se pode comprovar pelo teste de Mann Kendall que há uma tendência estatisticamente significativa no volume precipitado na RHTA, mas o estimador Sen’s dá indícios de queda na precipitação na sub-bacia TOA (-1,24 Km³/ano) e Araguaia (ARA) (-1,13 Km³/ano) e aumento da precipitação na sub-bacia do Tocantins Baixo (TOB) (0,53 Km³/ano) e para a RHTA (-1,5 Km³/ano). Assim a variabilidade espacial e temporal nas sub-bacias está intimamente relacionada aos eventos de anomalia meteorológica, na qual, a sua ação ocorre de maneira irregular ao longo da área de estudo e pode influenciar as diversas atividades sócio-econômicas na RHTA de acordo com sua magnitude e área de ocorrência. / The analysis of the rainfall behavior in a watershed is fundamental for engineering and management of the hydric resources. The Tocantins-Araguaia Basin (TAB) for your recent occupation and economic potentialities, earns prominence in the national scenery. This work evaluates the spatial-temporal dynamics of the annual precipitation in this region quantitatively during a period of 30 years of data. The dynamics of rainfall can be analyzed by the calculation of the mean precipitation in a given area, by composing isohyets maps of annual precipitation. However, the confection of these maps require one interpolation method what better please represent the rainfall characteristics in places not shown for posterior please analyze quantitative of the behaviour of the rainfall. For much, went realized descriptive exploratory analyses sample and spatial how requisition of stationarity of the interpolation method geostatistics, fill and validation of the theoretical model what he embed to the variograma of annual rainfall. The confection of isohyets maps for the method of ordinary kriging (no drift) and Universal Kriging (drift) went afterwards realized the calculation of the precipitate volume in the hydrographic region for the method of the contours. The spatial dynamics of the precipitation was realized with base in the analysis of descriptive statistics, isohyets maps, map hypsometric, Meteorological Irregularity (MI) and Coefficient Variation. Temporal dynamics was analyzed by the distribution of the total annual of volumetric precipitation for every secondary basin of the TAB, Standarized Anomaly, in the variation interanual of precipitation and trend test and magnitude represented respectively by Mann Kendall Test and Sen's. Interrelated upshots with the meteorological anomalies of the Atlantic Ocean (Dipole) and Pacific (ENOS) indicate the behaviour of the enough precipitation heterogeneous and with big variability principally in the under subbasin Tocantins Alto (TOA) (14%.) Diminution of the pluviometric amplitude, in years of intense meteorological anomaly causing a precipitation increment to the south of the under basins TOA and Araguaia (ARA) and diminution of the precipitation to the north of the secondary subbasin Tocantins Baixo (TOB), in El Niño events. One cannot prove for Mann Kendall test precipitate in the TAB, has an trend significative statistically in the volume but the estimated Sen's gives clues of fall in the precipitation in the sub-basin TOA (-1,24 km³/year) and Araguaia (ARA) (-1,13 km³/year) and increase of the precipitation in the under basin TOB (0,53 Km³/year) and for the TAB (-1,5 km³/year). So spatial and temporal variability in the under basins is intimately reported to the events of meteorological anomaly, in which your action occurs of irregular way to the long of the area to study and lop influence the socioeconomic different activities in the TAB in accordance with your magnitude and area of occurrence.

Submitted by Nathalya Silva (nathyjf033@gmail.com) on 2017-04-24T20:04:12Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_ModeloGerenciamentoAgua.pdf: 11144827 bytes, checksum: 1729da6214c18fcd59e89f3ba710e78e (MD5) / Approved for entry into archive by Edisangela Bastos (edisangela@ufpa.br) on 2017-04-26T13:22:34Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_ModeloGerenciamentoAgua.pdf: 11144827 bytes, checksum: 1729da6214c18fcd59e89f3ba710e78e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-26T13:22:34Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Tese_ModeloGerenciamentoAgua.pdf: 11144827 bytes, checksum: 1729da6214c18fcd59e89f3ba710e78e (MD5) Previous issue date: 2016-02 / Este trabalho trata de um modelo para gerenciamento de usos múltiplos da água, visando minimizar conflitos de uso, relacionados com a operação de sistemas de reservatórios em aproveitamentos hidrelétricos de bacias hidrográficas. O modelo SOUMA – “Sistema de Otimização de Usos Múltiplos da Água”, que consiste em um modelo estocástico de otimização baseado em programação não linear, foi desenvolvido e estruturado em GAMS (General Algebraic Modeling System) com o emprego do solver MINOS. O SOUMA compõe-se de dois módulos auxiliares. O primeiro é um módulo de previsão de níveis de água, que consiste em um modelo estocástico do tipo ARIMA (Auto Regressive Integrated Moving Average). O segundo é um módulo de previsão de vazões, que é um modelo estocástico chuva-vazão, do tipo RNA. O modelo ARIMA na calibração e na validação apresentou R² médio acima de 0,93 e RMSE abaixo de 0,08, capturando de forma satisfatória o comportamento das séries níveis d’água. O modelo chuva-vazão que foi empregado na composição da vazão afluente ao reservatório, com a utilização de arquitetura RNA, apresentou R² médio de 0,954 e RMSE médio de 0,098. O modelo SOUMA foi aplicado à bacia do rio Tapajós para o futuro Aproveitamento Hidro Energético – AHE São Luiz do Tapajós, Itaituba, PA. Foram criados seis cenários que serviram de parâmetros na otimização e minoração dos conflitos. Vazões afluentes ao reservatório foram obtidas e simuladas, para os cenários hidrológicos seco, médio e úmido e para os cenários climáticos El Niño, Neutro e La Niña. Para geração de energia e profundidade de navegação, considerando as afluências dos cenários hidrológicos seco, médio e úmido, o SOUMA evidenciou, em relação aos níveis de referência dos cenários de navegação baixo, médio e alto, a ocorrência de profundidades abaixo da mínima, para gerações médias abaixo de 2.411 MW, 2.939 MW e 3.586 MW, respectivamente. Para geração de energia e capacidade de carga transportada, considerando as afluências dos cenários hidrológicos seco, médio e úmido, o SOUMA demonstrou, em relação aos níveis de referência dos cenários de navegação baixo, médio e alto, que gerações médias acima de 2.869 MW, 3.508 MW e 4.740 MW, respectivamente, não geram ganhos de capacidade de carga transportada e que gerações médias abaixo de 1.344 MW, 1.622 MW 2.056 MW, respectivamente, inviabilizam o transporte de carga. Para geração de energia e cota de inundação, considerando as afluências dos cenários hidrológicos seco, médio e úmido, o SOUMA mostrou, em relação aos níveis de referência dos cenários de controle de inundação baixo, médio e alto, a ocorrência de inundações a jusante, para gerações médias acima de 4.978 MW, 6.057 MW e 7.390 MW, respectivamente. Retiradas consuntivas são significativas apenas no período de junho a outubro. Considerando a média das demandas consuntivas mensais (145 m³/s), para afluências do cenário hidrológico seco, médio e úmido, o SOUMA evidenciou uma perda mensal na geração de energia elétrica de 50 MW, 47 MW e 44 MW, respectivamente. Os resultados aferidos evidenciam que os modelos desenvolvidos são ferramentas de fundamental importância à otimização operacional de sistemas de reservatórios com usos múltiplos, permitindo a otimização de gerações e de defluências em AHE, em períodos de cheia e de estiagem e de grandes demandas energéticas, com a manutenção de condições de navegabilidade em trechos a jusante de barramentos, através de simulações operacionais sustentáveis que minoram conflitos de uso. / This work deals with a model for management of multiple uses of water, for the mitigation of conflicts of use related to the operation of reservoir systems in hydroelectric power plant of water catchment area. The model SOUMA – "system optimization of multiple uses of water", which consists of a stochastic optimization model based on nonlinear programming, was developed and structured in GAMS (General Algebraic Modeling System) with the use of solver MINOS. The SOUMA is composed of two modules. The first is a module for forecasting of water levels, which consists of a stochastic model of type ARIMA (Auto Regressive Integrated Moving Average). The second is a module for forecasting of streamflow, which is a stochastic model of rainfall-streamflow the RNA type. The ARIMA model calibration and validation presented average R² above 0.93 and RMSE below 0.08, capturing in a satisfactory manner the behavior of water levels. The rain-flow model that was used in the composition of influent flow to the reservoir, with the use of RNA architecture, presented average R² 0.954 and of 0.098 RMSE. The SOUMA model was applied to Tapajós River basin for the future hydroelectric power plant of São Luiz do Tapajós, Itaituba, PA. Six scenarios were created to be used as parameters in optimizing and mitigation of conflicts. The reservoir tributaries streamflow were obtained and simulated for dry, medium and moist hydrological scenarios and for El Niño, La Niña and Neutral climatic scenarios. For the power generation and navigation depth uses, considering the tributaries streamflow of the dry, medium and moist hydrological scenarios, the SOUMA showed, in relation to the reference levels of the low, medium and high navigation scenarios, the occurrence of depths below the minimum, for generations averages below 2,411 MW, 2,939 MW and 3,586 MW, respectively. For power generation and cargo capacity, considering the tributaries streamflow of the dry, medium and moist hydrological scenarios, the SOUMA showed, in relation to the low, medium and high reference levels of the navigation scenarios, that generations averages above 2,869 MW, 3,508 MW and 4,740 MW, respectively, do not generate earnings of cargo capacity and that medium generations below 1,344 MW, 2,056 MW and 1,622 MW, respectively, make the river transport of cargo infeasible. For power generation and flood dimension, considering the tributaries streamflow of the dry, medium and moist hydrological scenarios, the SOUMA showed, in relation the reference levels low, medium and high of the flood control, the occurrence of floods downstream to generations above average 4,978 MW, 6,057 MW and 7,390 MW, respectively. Consumptive withdrawals are meaningful only in the period from June to October. Considering the monthly average consumptive demands (145 m ³/s), to tributaries streamflow of the dry, medium and moist hydrological scenarios, the SOUMA showed a monthly loss in power generation of 50 MW, 47 MW and 44 MW, respectively. The measured results show that the models developed are important tools to operational optimization of reservoir systems with multiple uses, allowing the optimization of generations and defluente flow in the hydroelectric power plant of water catchment area, in periods of flood and drought and large energy demands, with maintenance of navigation conditions downstream from dams, through sustainable operational simulations that minimize usage conflicts.

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

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

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

Submitted by Biblioteca de Pós-Graduação em Geoquímica BGQ (bgq@ndc.uff.br) on 2018-03-09T16:23:29Z No. of bitstreams: 1 TESE DOUTORADO JEFERSON AZE: 5526411 bytes, checksum: f96f27e2cf68f512149ab6842518d6ff (MD5) / Made available in DSpace on 2018-03-09T16:23:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TESE DOUTORADO JEFERSON AZE: 5526411 bytes, checksum: f96f27e2cf68f512149ab6842518d6ff (MD5) / Universidade Federal Fluminense. Instituto de Química. Programa de Pós-Graduação em Geoquímica, Niterói, RJ / Os objetivos gerais desta tese foram: (a) Selecionar indicadores socioeconômicos e ambientais e integrá-los através da estrutura metodológica FPCIR (Força-Motriz/ Pressão/ Condicionamento/ Impacto/ Resposta). (b) Desenvolver uma metodologia para reconstrução espacial e temporal dos setores censitários em uma nova unidade de planejamento urbano, denominada de Aglomerados dos Setores Censitários (ASC´s). Nesse sentido, foram reconstruídos os Setores Censitários das pesquisas populacionais de 1980 a 2000 (AZEVEDO et al., 2004). Ainda, com relação a essa unidade, cabe destacar que é capaz de resolver os problemas de comparação dos dados georeferenciados das pesquisas populacionais do IBGE e de outras Instituições. Na etapa seguinte, escolheu-se a Bacia Hidrográfica do Rio Imboassú, localizada no Município de São Gonçalo no Estado do Rio de Janeiro para testar essa metodologia. No processo de identificação dos setores censitários que compunham a bacia, deparou-se com o problema de que algumas dessas unidades espaciais tinham parte do seu território contido em outra bacia hidrográfica. Para equacionar essa situação, utilizou-se o conceito de Bacia Ambiental apresentado por Rutkowski (2004). Dentre os vários resultados obtidos na tese, cabe mencionar: O modelo FPCIR permitiu uma análise detalhada da interação entre as atividades humanas e o ambiente; A elaboração do histórico evolutivo do processo de ocupação para 1980 a 2000 e cálculo dos IQV’s-UFF para o mesmo período; Os valores médios para os ICH’s da área de estudo em 2000 eram muito próximos ao do município; O ISA/BA de 2000 mostrou que o valor do indicador diminuía, à medida que os ASCs estavam mais distantes da área central da Bacia; A respeito do melhor índice a ser utilizado, pouco se pode concluir. No máximo, a análise indica que tanto faz escolher IQV-UFF ou ICH; Estimou-se o custo de implantação ou realização dos serviços: (a) abastecimento por rede geral em 2005 (US$ 1.705.000) e em 2010 (US$ 1.927.000); (b) Sistema de Esgotamento Sanitário (Tratamento Secundário/terciário) em 2005 estaria na faixa de (US$ 15.251.200) e em 2010 (US$ 16.559.300); e, (c) Coleta de Lixo Domiciliar Diária em 2005 (US$ 2.596) e em 2010 (US$ 2.820); e, Os Poderes Públicos vêm desenvolvendo muito lentamente e de maneira desorganizada, poucas respostas políticas, socioeconômicas e ambientais aos problemas que ocorrem na área de estudo. / The general objectives of this theory were: (a) Select socioeconomic and environmental indicators and integrate them through the methodological structure DPSIR (Driving Forces- Pressure-State-Impact-Response). (b) Develop a methodology for spatial and temporal reconstruction of the census sectors in a new urban planning unity, named Census Sector Clusters (CSCs). In that sense, the Census Sectors were reconstructed from the population research from 1980 to 2000 (AZEVEDO et al., 2004). Still, regarding this unity, we must emphasize that it is capable to solve the problems of comparison of the geo-reference data from the population research from IBGE and from other institutions. In the following phase, the Environmental Bay of the Imboassú River was chosen to test this methodology. The Imboassú River is located in the Town of São Gonçalo in the State of Rio de Janeiro. In the process to identify the census sectors that composed the bay, we encountered a problem in that some of those spatial units had part of its contained territory in another hydrographic bay. To resolve this situation, we utilized the concept of Environmental Bay presented by Rutkowski (2004). Among the several results obtained in the theory, it is important to mention that the model DPSIR permitted a detailed analysis of the interaction between the human activities and the environment; the elaboration of the historical evolution of the occupational process for 1980 to 2000 and the calculation of the Quality of Life Index (IQVUFF) for the same period; the medium values for the ICH's from the studied area in 2000 were very near to those of the town’s; the ISA/BA of 2000, showed that the value of the indicator diminished as the ASC’s were more distant from that of the Bay’s central area. As to the best index to be utilized, little can be concluded. At most, the analysis indicates that the choice between IQV-UFF and ICH doesn’t matter. It estimated the cost of introduction or realization of the service: (a) supplying it through the general network in 2005 (US$ 1,705,000) and in 2010 (US$ 1,927,000); (b) Sanitation Treatment Systems (Secondary/Tertiary) in 2005 would be in the range of (US$ 15,251,200) and in 2010 (US$ 16,559,300); and, (c) Daily Trash Collection in 2005 (US$ 2,596) and in 2010 (US$ 2,820); and, Public Policies have been developing very slowly and disorganized, few political answers to the socioeconomic and environmental problems are given within the area of study.