Made available in DSpace on 2017-05-12T14:47:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Valmir Baltokoski.pdf: 2787750 bytes, checksum: fe61cb2f7c894d46e777852e6fec1e06 (MD5) Previous issue date: 2008-06-30 / Hydrological models developing that may to predict the nonpoint source pollution and the land use and occupation impacts on water quality has been a powerful tool at agricultural systems study. Within this context, the objective of the present research work was to evaluate the SWAT 2005 (Soil and Water Assessment Tool) applicability to simulate surface runoff, sediments yield and total phosphorous flow mass. The research was developed in two contiguous watersheds, from Conrado and Pinheiro rivers, on the Pato Branco River basin, from Pato Branco and Mariopolis counties, Parana State. Climatological data relative to period 1979/2006 and observed data of flow rate, sediments yeld and total phosphorous concentration relative to 2004/2005 years, taken at two monitoring locations, were used. The model requires input data in spatial format concerning to land use and soils data, associated to a digital elevation model (DEM). It was used the AvSWAT_X interface with ArcView 3.3® and its extension Spatial Analyst 2.0®, for input and manipulation data. Monthly and yearly averages of flow rate, sediments yeld and total phosphorous mass flow were compared to the observed values, being this proceeding used in the model calibration and evaluation. The Nash-Sutcliffe Coefficient (COE) and the Sum of Deviations of the Simulated Data (Dv) were used to evaluate the modeling efficiency. The results have proved to be satisfactory for the several modelings. / O desenvolvimento de modelos hidrológicos capazes de predizer o impacto das fontes difusas de poluição e do uso e ocupação do solo na qualidade das águas, superficiais e subterrâneas, tem sido de grande auxílio no estudo de agroecossistemas agrícolas. Com esse objetivo, foi utilizado o modelo Soil and Water Assessment Tool (SWAT 2005), para avaliar sua aplicabilidade na previsão de escoamento superficial, na produção de sedimentos e no fluxo de massa do fósforo total, utilizando técnicas de análise de sensibilidade e calibração. O estudo foi realizado em duas microbacias hidrográficas contíguas, dos rios Conrado e Pinheiro, afluentes do Rio Pato Branco, localizadas nos municípios de Pato Branco e Mariópolis, no Estado do Paraná. Foram utilizados dados climatológicos do período de 1979/2006 e dados observados de vazão, sedimentos e concentração de fósforo total dos anos 2004/2005 de duas estações de monitoramento instaladas na área de estudo. O modelo requer dados espacializados de usos e tipos de solos, associados com banco de dados e um Modelo Digital de Elevação. Utilizou-se a interface AvSWAT_X, com o ArcView 3.3® e a extensão Spatial Analyst 2.0®, para entrada e manipulação dos dados no modelo. As médias anuais e mensais das simulações de vazão, sedimentos e fósforo total, foram comparadas com os dados observados, procedimento que serviu para calibrar o modelo e avaliar seu desempenho. Tanto o coeficiente de eficiência de Nash-Sutcliffe (COE) como a soma dos desvios dos dados simulados em relação aos dados observados (Dv) foram utilizados para avaliar a eficiência do modelo. Os resultados mostraram-se satisfatórios para as várias modelagens realizadas.

xii, 60 p. : ill. (some col.) / Exurban growth is prevalent in watersheds nationwide and of special concern in areas important for their undeveloped qualities. The McKenzie River, Oregon, is a natural amenity of great public, aesthetic and recreational value and provides drinking water for much of the southern Willamette Valley. These qualities also make the basin an attractive place to live, and their preservation is often in conflict with the rights and gains of private landowners. However, current containment strategies of development can be arbitrary from a hydrological perspective, especially when adapted from urban contexts. This study introduces a spatially-explicit and physically-based approach for identifying hydrologically sensitive lands in periurban watersheds and then applies that model as a framework for assessing current risk to municipal drinking water sources from exurban residential development. / Committee in charge: Robert Parker, Chair; David Hulse, Member; Scott Bridgham, Member

The development of rural areas concerning food security, sustainability and social-economic stability is key issue to the globalized community. Regarding the current state of climatic change, especially semi-arid regions in uenced by monsoon or El Niño are prone to extreme weather events. Droughts, ooding, erosion, degradation of soils and water quality and deserti cation are some of the common impacts. State of the art in hydrologic environmental modeling is generally operating under a reductionist paradigm (Sivapalan 2005). Even an enormous quantity of process-oriented models exists, we fail in due reproduction of complexly interacting processes in their effective scale in the space-time-continuum, as they are described through deterministic small-scale process theories (e.g. Beven 2002). Yet large amounts of parameters - with partly doubtful physical expression - and input data are needed. In contradiction to that most soft information about patterns and organizing principles cannot be employed (Seibert and McDonnell 2002). For an analysis of possible strategies on the one hand towards integrated hydrologic modeling as decision support and on the other hand for sustainable land use development the 512 km2 large catchment of the Mod river in Jhabua, Madhya Pradesh, India has been chosen. It is characterized by a setting of common problems of peripheral rural semi-arid human-eco-systems with intensive agriculture, deforestation, droughts and general hardship for the people. Scarce data and missing gauges are adding to the requirements of data acquisition and process description. The study at hand presents a methodical framework to combine eld scale data analysis and remote sensing for the setup of a database focusing plausibility over strict data accuracy. The catena-based hydrologic model WASA (Güntner 2002) employes this database. It is expanded by a routine for crop development simulation after the de Wit approach (e.g. in Bouman et al. 1996). For its application as decision support system an agentbased land use algorithm is developed which decides on base of site speci cations and certain constraints (like maximum pro t or best local adaptation) about the cropping. The new model is employed to analyze (some) land use strategies. Not anticipated and a priori de ned scenarios will account for the realization of the model but the interactions within the system. This study points out possible approaches to enhance the situation in the catchment. It also approaches central questions of ways towards due integrated hydrological modeling on catchment scale for ungauged conditions and to overcome current paradigms. / Die Entwicklung ländlicher Regionen hinsichtlich von Ernährungssicherheit, Nachhaltigkeit und sozio-ökonomischer Stabilität ist eine der wichtigsten Aufgaben unserer globalisierten Gemeinschaft. In Hinblick auf den Klimawandel sind insbesondere semi-aride Gebiete im Einfluss von Monsun oder El Niño von extremen Wetterereignissen betroffen. Tockenheiten, Überschwemmungen, Erosion, Bodendegradation, Verschlechterung der Wasserqualität und Versteppung sind nur einige, oft beobachtete Folgen. Der Stand der Forschung in Sachen hydrologischer Umweltmodellierung ist insbesondere einem reduktionistischen Paradigma verhaftet (Sivapalan 2005). Obwohl eine enorme Menge verschiedenster Prozessmodelle existiert können auf Grundlage kleinskaliger Prozessapproximationen die komplex interagierenden Prozesse in ihren wirkenden Skalen im Raum-Zeit-Kontinuum nur begrenzt beschreiben werden (z.B. Beven 2002). Während die verwendeten Modelle große Mengen an Parametern und Daten benötigen, können wichtige Informationen über Muster und Organisationsprinzipien nicht in die Simulationen einfließen. Für eine Analyse möglicher Wege und Restriktionen der integrierten hydrologischen Modellierung als Mittel in der Entscheidungsunterstützung wurde das 512 km² große Einzugsgebiet des Mod Flusses in Jhabua, Madhya Pradesh, Indien ausgewählt. Es ist gekennzeichnet von charakteristischen Problemen der Neuen Peripherie (z.B. Scholz 2004) (im human-geographischen Kontext) und intensiv anthropogen beeinflusster Agrar-Öko-Systeme der semi-ariden Tropen. Die dünne Datengrundlage des nicht-bepegelten Einzugsgebiets stellt dabei eine besondere Anforderung an die Datenakquise. In der vorliegenden Arbeit wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, der Feld- und Fernerkundungstechniken zur Landschaftsanalyse verbindet. Mit dem Fokus auf Plausibilität statt strenger "Datengenauigkeit" wird eine Datenbank zur hydrologischen Modellierung des Gebiets entwickelt. Das Catena-basierte hydrologische Prozessmodell WASA (Güntner 2002) wird um eine Routine zur Simulation der Entwicklung von Nutzpflanzen nach de Wit (z.B. in Bouman et al. 1996) erweitert. Zur Anwendung des Modells als Entscheidungsunterstützungssystem ist ein agentenbasierter Landnutzungsalgorithmus entwickelt worden, welcher auf Grundlage von Standorteigenschaften und politischen Vorgaben wie Profitmaximierung oder Standortanpassung über die Landnutzung entscheidet. Das neue Modellsystem wird zur Untersuchung von einigen Landnutzungstrategien so verwendet, dass nicht antizipierte Szenarien sondern die Wechselwirkung des Systems selbst die Realisation des Modells bestimmen. Die Umsetzung zeigt einerseits mögliche Ansätze zur Verbesserung der Situation im Untersuchungsgebiet auf. Anderseits gibt sie konkrete Vorschläge zu zentralen Fragen hydrologischer Umweltmodellierung und zur Überwindung bestehender Paradigmen.

This study focused on development of a continuous watershed-scale modelling approach capable of evaluating sediment removal performance of vegetative filter strips (VFS). This was done by integrating the single-event hydrologic and sediment transport model AGNPS with the event-based VFS model (VFSMOD) applying the methodology developed by Sebti and Rudra (2010), and also through the development and incorporation of sub-models capable of describing changes in hydrologic conditions between rainfall events into the integrated models. For modeling purposes, the buffer zone is divided to segments called “buffer cells”. The upstream source area corresponding to each buffer cell and the flow-path connecting the area to the stream are identified, and runoff and sediment generated within each area is simulated for each event applying AGNPS. Using VFSMOD, performance analysis of VFS is conducted for each buffer cell. By applying the developed “continuous simulation” sub-models the hydrologic conditions prior to each event were determined.

Erosion is an issue, which causes huge damages not only on agricultural land. This diploma thesis describes practical evaluation of erosion control measures (usage of leaving crop residue, circuit strips, contour tillage), which are include in Good Agriculture and Environmental Condition standart, which was issued by European union. Efficiency of usage of narrow-row and wide-row crops is also modeled. Each measures were evaluated in two different modeling programmes HydroCad for calibration and ERCN for results comparison. Seven different scripts are used in the thesis. Subcatchment area P6 in catchment area of Kopaninský creek is used as model area. Literature review describes the precipitation and runoff process, issue of erosion, and agriculture land protection against water erosion. Is also describes GAEC standards (today DZES).

O objetivo deste trabalho foi propor uma metodologia para investigar os possíveis efeitos das mudanças climáticas na disponibilidade hídrica e as alterações da demanda hídrica no futuro, através de uma abordagem estocástica, que considera projeções climáticas, hidrológicas, populacionais e agropecuárias. O trabalho foi aplicado à bacia hidrográfica do rio Ijuí, noroeste do Rio Grande do Sul, Brasil. A metodologia foi composta por cinco módulos, envolvendo: i) a modelagem hidrológica para transformação da precipitação e evapotranspiração em vazão, utilizando Redes Neurais Artificiais (RNAs), ii) a correção e análise dos cenários climáticos para o futuro, oriundos do modelo Eta CPTEC/HadCM3, iii) a modelagem estocástica das vazões mensais no futuro, iv) a modelagem estocástica das variáveis populacionais e agropecuárias para geração de séries de demanda hídrica no futuro e, v) a simulação do balanço hídrico para geração de curvas de regularização, objetivando uma análise da relação entre a disponibilidade e a demanda hídrica no futuro. Como resultados relacionados ao processo de modelagem hidrológica, destaca-se que o modelo com RNAs mais adequado para a simulação das vazões mensais apresentou apenas três variáveis de entrada, obtendo um coeficiente de Nash-Sutcliffe igual a 0,904. Através da análise de sensibilidade, foi observado que a RNA escolhida relacionou corretamente as variáveis de entrada com a saída da rede, respeitando os princípios físicos envolvidos no sistema hidrológico. Quanto à análise dos cenários climáticos e vazões resultantes do processo de modelagem hidrológica, as diferenças entre os valores simulados com base no modelo Eta e os valores observados, no período de avaliação dos modelos (1976-1990), atingiram erros algumas vezes superiores a 20%. A vazão média de longo período, por exemplo, apresentou uma alteração de 141,6 m³/s (1961-1990) para 200,3 m³/s (2011-2040). Também foi observado um incremento na vazão média e no desvio padrão mensal entre os meses de janeiro e outubro. Entre os meses de fevereiro e junho, o percentual de aumento na vazão média mensal foi mais acentuado, superando o índice de 100%. Considerando-se os intervalos de confiança das estimativas de vazão para o futuro, pode-se concluir que existe uma tendência de aumento na variabilidade hidrológica no período entre 2011 e 2040, o que indica a possibilidade de ocorrência de séries temporais com períodos mais acentuados de estiagem e de cheias. Quanto às alterações na demanda hídrica, foi constatado que a tendência de crescimento das atividades agrícolas irrigadas no período analisado é bem superior à tendência observada em relação à criação animal e ao abastecimento humano. Mantida a tendência e os resíduos modelados entre 2003 e 2010, a média das séries estocásticas geradas para o futuro indica que haverá 1.954 km² de áreas irrigadas em 2040, fazendo com que a demanda aumente de 6,3 m³/s (2011) para 28 m³/s (2040), no mês de maior demanda hídrica (janeiro). Na etapa final, ao calcular a razão entre a demanda para usos consuntivos e a disponibilidade hídrica (demanda/disponibilidade), no período entre 2011 e 2040, foi observada uma tendência de aumento neste percentual ao longo dos anos. Em média, a relação demanda/disponibilidade em 2011 foi de apenas 6,06%, variando entre 0,81% (maio) e 20,15% (dezembro). Já em 2040 esta proporção aumentou para 13,82%, variando entre 1,09% (maio) e 43,3% (dezembro). Quanto às mudanças nas curvas de regularização obtidas através da simulação do balanço hídrico em um reservatório fictício, os resultados atestam que, em caso de confirmação do cenário de mudança climática utilizado, haverá a necessidade de reservatórios com capacidade cada vez maior para atender à demanda para usos consuntivos, em virtude do agravamento das estiagens no início do verão. / The purpose of this study was to propose a methodology to investigate the possible effects of climate change on water availability and changes in water requirement in the future, through a stochastic approach that considers climate, hydrological, agricultural and population projections. The method was applied to Ijuí river basin, northwest of Rio Grande do Sul, Brazil. The methodology consisted of five modules, involving: i) hydrological modeling of monthly flows using Artificial Neural Networks (ANNs), ii) correction and analysis of climate scenarios for the future, derived from the Eta model CPTEC / HadCM3, iii) the stochastic modeling of monthly flows in the future, iv) the stochastic modeling of population and agricultural variables to generate water requirement series in the future and, v) the simulation of the water balance for the generation of curves regularization aiming an analysis of the relationship between water availability and water requirement in the future. Regarding the results of the hydrologic modeling, it is highlighted that ANN model more suitable model for the flow simulation presented only three input variables, obtaining a Nash-Sutcliffe coefficient equal to 0.904. It was observed, through sensitivity analysis, that the ANN related correctly chosen input variables with the output of the network, respecting the physical principles involved in the hydrological system. The analysis of climate scenarios and flows resulting from the hydrologic modeling process showed that the differences between the simulated values based on the Eta model and the observed values for the period of assessment models (1976-1990), errors sometimes reached more than 20 %. Therefore, one must consider that these uncertainties will be replicated in future scenarios, as to analysis of the effects of climate change on water availability. Overall, the results related to stochastic modeling of monthly flows for the future (2011-2040) showed a tendency to increase in flows. The average flow of long period, for example, introduced an amendment to 141.6 m³ / s (1961-1990) to 200.3 m³ / s (2011-2040). We observe an increase in the average flow and monthly standard deviation between January and October. The percentage increase in the monthly average flow was more pronounced between the months of February and June, exceeding the rate of 100%. Considering the confidence intervals of the estimates of flow for the future, it can be concluded that there is an increasing trend in hydrological variability in the period between 2011 and 2040, which indicates the possibility of time series with more severe periods of drought and flood. We found an increasing trend of irrigated agricultural activities above the trend towards livestock and human consumption. If the trend and residues modeled between 2003 and 2010 is maintained, irrigated areas in 2040 should reach 1,954 km², increasing water demand of 6.3 m³ / s (2011) to 28 m³ / s (2040), in the month of higher water demand (in January). The final step is to calculate the ratio between the demand for consumptive uses and water availability (demand / availability), we observe an increasing trend in the percentage in the period between 2011 and 2040. On average, the demand / availability in 2011 was only 6.06%, with values between 0.81% (May) to 20.15% (December). By 2040, this proportion increased to 13.82%, with values between 1.09% (May) to 43.3% (December). Finally, with regard to changes in the curves obtained for regularization by simulating the water balance in a fictitious reservoir, the results show that there is a need for reservoirs with increasing capacity to meet the demand for consumptive uses, upon confirmation of the scenario climate change used, because of worsening drought in early summer.

Made available in DSpace on 2016-12-08T16:55:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 daniel.pdf: 5292000 bytes, checksum: af9cef941b408cbf2d1d6817ffdfe36b (MD5) Previous issue date: 2012-04-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In Brazil, the floods in urban areas are often on the news and Joinville is a city that also suffers constantly with this occurrence, mainly around the Cachoeira river watershed, which is fully urbanized and will be the focus of this discussion. The survey area is located in the northeastern state of Santa Catarina. Joinville represents the largest industrial center in the state.The main focus of this project is to study the Cachoeira River watershed, covering 79.84 km ² of the urban area, with high levels of pollution and occupation of protected areas such as the valley bottoms.The historic of floods (1852-2011) shows the earliest occupation and nowadays more than fifty floods have occurred on the Cachoeira River watershed and this survey aimed at understanding the dynamics of the environment through human activities and their physical characteristics. A study was done to do a survey of morphometric parameters and a hydrological rainfall-runoff model was studied using the Arc Hydro Tools to assist in the delineation of the watershed and its sub-basins. The results obtained for the analysis took into account the course of 11 sub-basins of the Cachoeira River watershed that have been obtained by the Arc Hydro Tools. The factors: area, perimeter, length of main channels and hierarchical order of the channels were essential to calculate the morphometric characteristics of each sub-basin. The morphometric results showed a higher degree of susceptibility to flooding occurrence in the Cachoeira River sub-basins, Bucarein, Itaúm Mirim and Estuario. The results obtained with HEC-HMS hydrologic model must still be implemented, because there is no flow and rainfall historical data enough about the subbasins that allow a more definitive conclusion. Thus, three scenários were simulated with different dates of rainfall, whereas some parameters that were possible to acquire, in which the highest flow given by the HEC-HMS was the simulated scenário on the 22nd of November, 2008 with a flow rate of 49.1m ³ / s near the basin outfall. The results obtained can help in decisions of public works, mainly for the sub-basins that had high potential for occurrence of the flood and as a better preparation to the population about the natural process of flooding affecting the Cachoeira river watershed. Although it is necessary to improve the monitoring of sub-basins through the hydrometeorological stations, the results already achieved can be adjusted and improved for use in the containment to floods or other purposes / No Brasil as inundações nas áreas urbanas são noticias frequentes nos meios de comunicação e a cidade de Joinville, localizada na região nordeste do Estado de Santa Catarina, também sofre constantemente com esta ocorrência. O foco principal do projeto é o estudo da Bacia Hidrográfica do Rio Cachoeira, abrangendo 79,84 km² da região urbana do município, apresentando altos índices de poluição e ocupação de áreas protegidas, como os fundos de vale. O histórico de enchente (1852-2011) nesta bacia remonta os seus primórdios de ocupação, em que até a presente data, mais de cinquenta enchentes já ocorreram. Na Bacia Hidrográfica do Rio Cachoeira, buscou-se entender a dinâmica do ambiente através das ações antrópicas e das suas características físicas. Foi realizado um levantamento dos parâmetros morfométricos e estudado o modelo hidrológico chuva-vazão, utilizando a ferramenta Arc Hydro Tools para auxiliar na delimitação da bacia hidrográfica e de suas sub-bacias. Os resultados extraídos para a análise levaram em consideração o comportamento de 11 sub-bacias da Bacia Hidrográfica do Rio Cachoeira que foram obtidas pela extensão Arc Hydro Tools. Os fatores: área, perímetro, comprimento total dos canais principais e ordem hierárquica dos canais, foram essenciais para calcular as características morfométricas de cada sub-bacia. Os resultados morfométricos mostraram maior grau de suscetibilidade a ocorrência de inundação nas sub-bacias do Cachoeira, Bucarein, Itaúm Mirim e Estuário. Já os resultados obtidos com o modelo hidrológico HEC-HMS ainda devem ser complementados, pois não há dados históricos de vazão e precipitação suficientes sobre as sub-bacias que permitam obter conclusão definitiva. Os resultados adquiridos nesta pesquisa podem auxiliar nas decisões de obras públicas, principalmente para as sub-bacias que apresentaram alto potencial de ocorrência a inundação, assim como num melhor preparo a população sobre o processo natural das inundações que afeta a Bacia Hidrográfica do Rio Cachoeira. Porém, deve-se melhorar o monitoramento das sub-bacias através das estações Hidrometereológicas, pois somente assim, os resultados já alcançados poderão ser ajustados e melhorados, para utilização em obras de contenção a enchentes ou para outros fins

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / The Araguari river hydrographic basin (BHRA) presents an area of 22,146.23 km2 and is located in a region of Minas Gerais State with high water demand by agriculture, industry and humans, which leads to high environmental costs, including damage of natural water resources systems. The frequent land use changes related to such activities often degrade water resources and therefore should be monitored in order to provide effective environmental management strategies, consistent with conservation activities of existing water streams. In this context, considering the need of efficient water resources management programs, the hydrological modeling becomes an important tool to help monitoring and management activities of water resources found in the watershed. Among numerous hydrological models, we can highlight (as used in this research) the ones having functions to overcome the demand for reliable and continuous data sets. In other words, these models can overcome situations where there is total or partial lack of data collected by hydrometeorological stations and even simulate situations/hypothetical scenarios for verification of some phenomena, for example, the behavior of stream flows. Thus, the objective of this research is to use a hydrological modeling to study the stream flow of BHRA, considering changes in land use and natural vegetation. The selected hydrological model was the Modelo de Grandes Bacias (MGB), developed by Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH) from the Federal University of Rio Grande do Sul (UFRGS). The effects of land use and land cover (LULC) changes (time period of 1975-2010) in the stream flow regime were evaluated. The main LULC changes in the study area in this time period was the replacement of natural grasslands (Campo limpo, Campo sujo and Campo Cerrado) by croplands and cultivated pasturelands, as result of great increase of economic activities in this region. In 2010, the natural vegetation was reduced to nearly half of found in 1975 (88,93% and 42,97% of basin covered by natural vegetation in 1975 and 2010, respectively). Cultivated pasturelands increased from 8,41% in 1975 to 30,59% in 2010. Croplands increased from 2% in 1975 to 23,02% in 2010. The MGB was adjusted to simulate daily stream flows of the BHRA based on rainfall, climate and stream flow data gathered by eight rain gauged stations, 54 rainfall stations, besides the following spatial data: digital elevation models derived from the Shuttle Radar Topography Mission (SRTM); soil, geomorphology, geology and two-year LULC map (1975 and 2010). The calibration and simulation of MGB for BHRA showed good fit between observed (ANA) and calculated stream flow (MGB). The BHRA was then divided into sub-basins for further analysis. The Ibiá sub-basin showed better results of calibration and simulation of daily stream flows. The stream flows of Fazenda São Mateus, Desemboque and Fazenda Letreiro sub-basins were also analyzed. The Fazenda Letreiro sub-basin, the one that presented highest levels of LULC changes in the time period considered (conversion of 53,56% of natural vegetation into croplands and cultivated pasturelands) showed an increase of maximum (38,8 m3/s), minimum (2,29 m3/s) and average (5,78 m3/s) stream flow and for annual laminar flow (231,35 mm/year) as well. Hypothetical scenarios were simulated for the Ibiá sub-basin and compared with the stream flow results estimated by MGB for the year 2010. For actual LULC conditions, the measured and the estimated mean stream flows were quite similar. In a scenario of 100% of natural vegetation cover, the minimum stream flow increased 2,28 m3/s. In a scenario of 100% of cultivated pasture, the maximum stream flow presented highest increase of 36,18 m3/s. The use of the model and the analyses conducted in this study were considered satisfactory to meet the proposed research objectives. / A bacia hidrográfica do rio Araguari (BHRA) - MG, apresenta área de 22.146,23 km2 localizados em uma região de grande consumo de água pela agricultura, indústria e pelas pessoas, o que acarreta altos custos ambientais, incluindo danos aos sistemas hídricos naturais. As constantes alterações de uso da terra relacionadas a tais atividades são potencialmente degradantes dos recursos hídricos e devem ser conhecidas para que se possa planejar a gestão dos ambientes de forma coerente com a preservação dos cursos d água existentes. Neste contexto, frente a necessidade de gestão dos recursos hídricos, a modelagem hidrológica é uma ferramenta importante e eficiente no sentido de auxiliar o monitoramento e gestão das águas presentes nas bacias hidrográficas. Dentre as inúmeras aplicações dos modelos hidrológicos, podemos destacar (como utilizado nesta pesquisa) que eles têm a função de suprir a demanda de dados confiáveis e contínuos em locais onde existe total ou parcial ausência de dados coletados pelas estações hidrometeorológicas e ainda de simular situações/cenários hipotéticos para verificação de alguns fenômenos, a exemplo do comportamento da vazão dos rios presentes área de estudo. Desta forma, o objetivo geral desta pesquisa é realizar uma modelagem hidrológica para o estudo da vazão da BHRA, a partir das mudanças do uso da terra e cobertura vegetal nativa. O modelo hidrológico utilizado foi o Modelo de Grandes Bacias (MGB), do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (IPH), da UFRGS. Foram avaliados os efeitos das mudanças de uso da terra e cobertura vegetal nativa (período de 1975 a 2010) na resposta da vazão na bacia. As principais mudanças de uso da terra e cobertura vegetal nativa na BHRA neste período foram a substituição da classe campestre (Campo limpo/Campo sujo/Campo cerrado) pelas classes de atividades agropecuárias, devido ao grande avanço destas atividades econômicas na região. Em 2010, a cobertura vegetal nativa se reduziu praticamente a metade dos valores calculados para o ano de 1975 (passou de 88,93% para 42,97%). A classe de Pastagem aumentou de 8,41% (1975) para 30,59% (2010) e a classe de Agricultura aumentou de 2% (1975) para 23,02% (2010). O MGB foi ajustado para a simulação de vazões diárias a partir dos dados de chuva, clima e vazão observadas de 8 estações fluviométricas, 54 estações pluviométricas, além de dados espaciais: Modelo Digital de Elevação (SRTM), mapa de solos, mapa de unidades geomorfológicas, mapa geológico e mapas de uso da terra e cobertura vegetal nativa (1975 e 2010) da BHRA. O processo de calibração do modelo e simulação para a BHRA permitiu verificar um bom ajuste entre as vazões observadas (ANA) e calculadas (MGB). A BHRA foi dividida em sub-bacias para melhor análise, sendo a sub-bacia Ibiá aquela que apresentou melhores resultados na calibração e simulação de vazões diárias. Além da sub-bacia Ibiá, foram analisadas as vazões das sub-bacias Fazenda São Mateus, Desemboque e Fazenda Letreiro pertencentes à BHRA. A sub-bacia Fazenda Letreiro, sub-bacia que teve mais mudanças de uso da terra e cobertura vegetal nativa no período considerado (com a substituição de 53.56% da cobertura vegetal nativa transformada em agricultura e pastagem) apresentou um aumento para as vazões máxima (em 38,8 m3/s), mínima (em 2,29 m3/s), média (em 5,78 m3/s) e lâmina escoada anual (231,35 mm/ano), no período de 1975 a 2010. Foram simulados cenários hipotéticos para a sub-bacia Ibiá e comparados os resultados com os dados de vazão calculados pelo MGB, do ano de 2010. Em relação aos dados de vazão do cenário real de 2010: a vazão média para os cenários hipotéticos propostos se manteve praticamente equiparada, o cenário 100% Cobertura vegetal nativa apresentou maior alteração em relação a vazão mínima (aumento de 2,28 m3/s) e o cenário de 100% Pastagem apresentou a maior alteração na vazão máxima (aumento de 36,18 m3/s). A utilização do modelo e as análises realizadas foram consideradas satisfatórias para cumprir os objetivos da pesquisa. / Doutor em Geografia

O objetivo deste trabalho foi propor uma metodologia para investigar os possíveis efeitos das mudanças climáticas na disponibilidade hídrica e as alterações da demanda hídrica no futuro, através de uma abordagem estocástica, que considera projeções climáticas, hidrológicas, populacionais e agropecuárias. O trabalho foi aplicado à bacia hidrográfica do rio Ijuí, noroeste do Rio Grande do Sul, Brasil. A metodologia foi composta por cinco módulos, envolvendo: i) a modelagem hidrológica para transformação da precipitação e evapotranspiração em vazão, utilizando Redes Neurais Artificiais (RNAs), ii) a correção e análise dos cenários climáticos para o futuro, oriundos do modelo Eta CPTEC/HadCM3, iii) a modelagem estocástica das vazões mensais no futuro, iv) a modelagem estocástica das variáveis populacionais e agropecuárias para geração de séries de demanda hídrica no futuro e, v) a simulação do balanço hídrico para geração de curvas de regularização, objetivando uma análise da relação entre a disponibilidade e a demanda hídrica no futuro. Como resultados relacionados ao processo de modelagem hidrológica, destaca-se que o modelo com RNAs mais adequado para a simulação das vazões mensais apresentou apenas três variáveis de entrada, obtendo um coeficiente de Nash-Sutcliffe igual a 0,904. Através da análise de sensibilidade, foi observado que a RNA escolhida relacionou corretamente as variáveis de entrada com a saída da rede, respeitando os princípios físicos envolvidos no sistema hidrológico. Quanto à análise dos cenários climáticos e vazões resultantes do processo de modelagem hidrológica, as diferenças entre os valores simulados com base no modelo Eta e os valores observados, no período de avaliação dos modelos (1976-1990), atingiram erros algumas vezes superiores a 20%. A vazão média de longo período, por exemplo, apresentou uma alteração de 141,6 m³/s (1961-1990) para 200,3 m³/s (2011-2040). Também foi observado um incremento na vazão média e no desvio padrão mensal entre os meses de janeiro e outubro. Entre os meses de fevereiro e junho, o percentual de aumento na vazão média mensal foi mais acentuado, superando o índice de 100%. Considerando-se os intervalos de confiança das estimativas de vazão para o futuro, pode-se concluir que existe uma tendência de aumento na variabilidade hidrológica no período entre 2011 e 2040, o que indica a possibilidade de ocorrência de séries temporais com períodos mais acentuados de estiagem e de cheias. Quanto às alterações na demanda hídrica, foi constatado que a tendência de crescimento das atividades agrícolas irrigadas no período analisado é bem superior à tendência observada em relação à criação animal e ao abastecimento humano. Mantida a tendência e os resíduos modelados entre 2003 e 2010, a média das séries estocásticas geradas para o futuro indica que haverá 1.954 km² de áreas irrigadas em 2040, fazendo com que a demanda aumente de 6,3 m³/s (2011) para 28 m³/s (2040), no mês de maior demanda hídrica (janeiro). Na etapa final, ao calcular a razão entre a demanda para usos consuntivos e a disponibilidade hídrica (demanda/disponibilidade), no período entre 2011 e 2040, foi observada uma tendência de aumento neste percentual ao longo dos anos. Em média, a relação demanda/disponibilidade em 2011 foi de apenas 6,06%, variando entre 0,81% (maio) e 20,15% (dezembro). Já em 2040 esta proporção aumentou para 13,82%, variando entre 1,09% (maio) e 43,3% (dezembro). Quanto às mudanças nas curvas de regularização obtidas através da simulação do balanço hídrico em um reservatório fictício, os resultados atestam que, em caso de confirmação do cenário de mudança climática utilizado, haverá a necessidade de reservatórios com capacidade cada vez maior para atender à demanda para usos consuntivos, em virtude do agravamento das estiagens no início do verão. / The purpose of this study was to propose a methodology to investigate the possible effects of climate change on water availability and changes in water requirement in the future, through a stochastic approach that considers climate, hydrological, agricultural and population projections. The method was applied to Ijuí river basin, northwest of Rio Grande do Sul, Brazil. The methodology consisted of five modules, involving: i) hydrological modeling of monthly flows using Artificial Neural Networks (ANNs), ii) correction and analysis of climate scenarios for the future, derived from the Eta model CPTEC / HadCM3, iii) the stochastic modeling of monthly flows in the future, iv) the stochastic modeling of population and agricultural variables to generate water requirement series in the future and, v) the simulation of the water balance for the generation of curves regularization aiming an analysis of the relationship between water availability and water requirement in the future. Regarding the results of the hydrologic modeling, it is highlighted that ANN model more suitable model for the flow simulation presented only three input variables, obtaining a Nash-Sutcliffe coefficient equal to 0.904. It was observed, through sensitivity analysis, that the ANN related correctly chosen input variables with the output of the network, respecting the physical principles involved in the hydrological system. The analysis of climate scenarios and flows resulting from the hydrologic modeling process showed that the differences between the simulated values based on the Eta model and the observed values for the period of assessment models (1976-1990), errors sometimes reached more than 20 %. Therefore, one must consider that these uncertainties will be replicated in future scenarios, as to analysis of the effects of climate change on water availability. Overall, the results related to stochastic modeling of monthly flows for the future (2011-2040) showed a tendency to increase in flows. The average flow of long period, for example, introduced an amendment to 141.6 m³ / s (1961-1990) to 200.3 m³ / s (2011-2040). We observe an increase in the average flow and monthly standard deviation between January and October. The percentage increase in the monthly average flow was more pronounced between the months of February and June, exceeding the rate of 100%. Considering the confidence intervals of the estimates of flow for the future, it can be concluded that there is an increasing trend in hydrological variability in the period between 2011 and 2040, which indicates the possibility of time series with more severe periods of drought and flood. We found an increasing trend of irrigated agricultural activities above the trend towards livestock and human consumption. If the trend and residues modeled between 2003 and 2010 is maintained, irrigated areas in 2040 should reach 1,954 km², increasing water demand of 6.3 m³ / s (2011) to 28 m³ / s (2040), in the month of higher water demand (in January). The final step is to calculate the ratio between the demand for consumptive uses and water availability (demand / availability), we observe an increasing trend in the percentage in the period between 2011 and 2040. On average, the demand / availability in 2011 was only 6.06%, with values between 0.81% (May) to 20.15% (December). By 2040, this proportion increased to 13.82%, with values between 1.09% (May) to 43.3% (December). Finally, with regard to changes in the curves obtained for regularization by simulating the water balance in a fictitious reservoir, the results show that there is a need for reservoirs with increasing capacity to meet the demand for consumptive uses, upon confirmation of the scenario climate change used, because of worsening drought in early summer.

O objetivo deste trabalho foi propor uma metodologia para investigar os possíveis efeitos das mudanças climáticas na disponibilidade hídrica e as alterações da demanda hídrica no futuro, através de uma abordagem estocástica, que considera projeções climáticas, hidrológicas, populacionais e agropecuárias. O trabalho foi aplicado à bacia hidrográfica do rio Ijuí, noroeste do Rio Grande do Sul, Brasil. A metodologia foi composta por cinco módulos, envolvendo: i) a modelagem hidrológica para transformação da precipitação e evapotranspiração em vazão, utilizando Redes Neurais Artificiais (RNAs), ii) a correção e análise dos cenários climáticos para o futuro, oriundos do modelo Eta CPTEC/HadCM3, iii) a modelagem estocástica das vazões mensais no futuro, iv) a modelagem estocástica das variáveis populacionais e agropecuárias para geração de séries de demanda hídrica no futuro e, v) a simulação do balanço hídrico para geração de curvas de regularização, objetivando uma análise da relação entre a disponibilidade e a demanda hídrica no futuro. Como resultados relacionados ao processo de modelagem hidrológica, destaca-se que o modelo com RNAs mais adequado para a simulação das vazões mensais apresentou apenas três variáveis de entrada, obtendo um coeficiente de Nash-Sutcliffe igual a 0,904. Através da análise de sensibilidade, foi observado que a RNA escolhida relacionou corretamente as variáveis de entrada com a saída da rede, respeitando os princípios físicos envolvidos no sistema hidrológico. Quanto à análise dos cenários climáticos e vazões resultantes do processo de modelagem hidrológica, as diferenças entre os valores simulados com base no modelo Eta e os valores observados, no período de avaliação dos modelos (1976-1990), atingiram erros algumas vezes superiores a 20%. A vazão média de longo período, por exemplo, apresentou uma alteração de 141,6 m³/s (1961-1990) para 200,3 m³/s (2011-2040). Também foi observado um incremento na vazão média e no desvio padrão mensal entre os meses de janeiro e outubro. Entre os meses de fevereiro e junho, o percentual de aumento na vazão média mensal foi mais acentuado, superando o índice de 100%. Considerando-se os intervalos de confiança das estimativas de vazão para o futuro, pode-se concluir que existe uma tendência de aumento na variabilidade hidrológica no período entre 2011 e 2040, o que indica a possibilidade de ocorrência de séries temporais com períodos mais acentuados de estiagem e de cheias. Quanto às alterações na demanda hídrica, foi constatado que a tendência de crescimento das atividades agrícolas irrigadas no período analisado é bem superior à tendência observada em relação à criação animal e ao abastecimento humano. Mantida a tendência e os resíduos modelados entre 2003 e 2010, a média das séries estocásticas geradas para o futuro indica que haverá 1.954 km² de áreas irrigadas em 2040, fazendo com que a demanda aumente de 6,3 m³/s (2011) para 28 m³/s (2040), no mês de maior demanda hídrica (janeiro). Na etapa final, ao calcular a razão entre a demanda para usos consuntivos e a disponibilidade hídrica (demanda/disponibilidade), no período entre 2011 e 2040, foi observada uma tendência de aumento neste percentual ao longo dos anos. Em média, a relação demanda/disponibilidade em 2011 foi de apenas 6,06%, variando entre 0,81% (maio) e 20,15% (dezembro). Já em 2040 esta proporção aumentou para 13,82%, variando entre 1,09% (maio) e 43,3% (dezembro). Quanto às mudanças nas curvas de regularização obtidas através da simulação do balanço hídrico em um reservatório fictício, os resultados atestam que, em caso de confirmação do cenário de mudança climática utilizado, haverá a necessidade de reservatórios com capacidade cada vez maior para atender à demanda para usos consuntivos, em virtude do agravamento das estiagens no início do verão. / The purpose of this study was to propose a methodology to investigate the possible effects of climate change on water availability and changes in water requirement in the future, through a stochastic approach that considers climate, hydrological, agricultural and population projections. The method was applied to Ijuí river basin, northwest of Rio Grande do Sul, Brazil. The methodology consisted of five modules, involving: i) hydrological modeling of monthly flows using Artificial Neural Networks (ANNs), ii) correction and analysis of climate scenarios for the future, derived from the Eta model CPTEC / HadCM3, iii) the stochastic modeling of monthly flows in the future, iv) the stochastic modeling of population and agricultural variables to generate water requirement series in the future and, v) the simulation of the water balance for the generation of curves regularization aiming an analysis of the relationship between water availability and water requirement in the future. Regarding the results of the hydrologic modeling, it is highlighted that ANN model more suitable model for the flow simulation presented only three input variables, obtaining a Nash-Sutcliffe coefficient equal to 0.904. It was observed, through sensitivity analysis, that the ANN related correctly chosen input variables with the output of the network, respecting the physical principles involved in the hydrological system. The analysis of climate scenarios and flows resulting from the hydrologic modeling process showed that the differences between the simulated values based on the Eta model and the observed values for the period of assessment models (1976-1990), errors sometimes reached more than 20 %. Therefore, one must consider that these uncertainties will be replicated in future scenarios, as to analysis of the effects of climate change on water availability. Overall, the results related to stochastic modeling of monthly flows for the future (2011-2040) showed a tendency to increase in flows. The average flow of long period, for example, introduced an amendment to 141.6 m³ / s (1961-1990) to 200.3 m³ / s (2011-2040). We observe an increase in the average flow and monthly standard deviation between January and October. The percentage increase in the monthly average flow was more pronounced between the months of February and June, exceeding the rate of 100%. Considering the confidence intervals of the estimates of flow for the future, it can be concluded that there is an increasing trend in hydrological variability in the period between 2011 and 2040, which indicates the possibility of time series with more severe periods of drought and flood. We found an increasing trend of irrigated agricultural activities above the trend towards livestock and human consumption. If the trend and residues modeled between 2003 and 2010 is maintained, irrigated areas in 2040 should reach 1,954 km², increasing water demand of 6.3 m³ / s (2011) to 28 m³ / s (2040), in the month of higher water demand (in January). The final step is to calculate the ratio between the demand for consumptive uses and water availability (demand / availability), we observe an increasing trend in the percentage in the period between 2011 and 2040. On average, the demand / availability in 2011 was only 6.06%, with values between 0.81% (May) to 20.15% (December). By 2040, this proportion increased to 13.82%, with values between 1.09% (May) to 43.3% (December). Finally, with regard to changes in the curves obtained for regularization by simulating the water balance in a fictitious reservoir, the results show that there is a need for reservoirs with increasing capacity to meet the demand for consumptive uses, upon confirmation of the scenario climate change used, because of worsening drought in early summer.