Programas de restauração florestal e pagamento por serviços ecossistêmicos vêm sendo incentivados em várias regiões que apresentam problemas de abastecimento hídrico, com objetivo de recuperação e manutenção dos recursos hídricos. Embora se considere que a cobertura florestal é benéfica para a conservação dos recursos hídricos, esta relação é complexa e dependente de vários fatores físicos, assim como da proporção e da configuração espacial da cobertura florestal na bacia hidrográfica. Diante deste contexto, o objetivo geral do presente estudo foi avaliar os efeitos da proporção e configuração espacial da cobertura florestal na bacia hidrográfica no aumento ou manutenção dos serviços hidrológicos. Para tal, um modelo hidrológico distribuído de base física foi calibrado e validado para permitir a simulação hidrológica dos diferentes usos da terra. A parametrização do modelo teve como base uma bacia hidrográfica monitorada (deflúvio e precipitação) de características agrícolas (pastagem e cana-de-açúcar). Após calibrado e validado o modelo (R2 de 0,65 e 0,62 respectivamente), os cenários a serem simulados foram gerados modificando-se a composição da paisagem (proporção de cobertura florestal) e a configuração espacial da cobertura florestal. É importante ressaltar que as modificações no modelo para cada uso foram referentes diretamente aos processos de evapotranspiração e escoamento superficial e seus desdobramentos. Não foram modificados os processos referentes ao solo (e.g. infiltração e percolação), uma vez que a influência do uso na estrutura do solo ainda é um ponto conflitante. Os serviços hidrológicos considerados foram os de disponibilidade hídrica e proteção. Os indicadores para análise da disponibilidade hídrica foram o deflúvio anual (Q), vazões mínimas (Q95) e índice de fluxo base (BFI); e os indicadores de proteção foram as vazões máximas (Q5) e índice de velocidade (IF). O efeito da proporção da cobertura florestal foi testado por meio de cenários com aumento aleatório de 10% na cobertura florestal (CF), iniciando com o cenário referência de 0% CF até o cenário referência de 100% (11 cenários simulados). As hipóteses testadas foram de que (i) o aumento da cobertura florestal diminui o serviço hidrológico de disponibilidade hídrica, e (ii) o aumento da cobertura florestal aumenta o serviço hidrológico de proteção. Ambas as hipóteses foram aceitas, uma vez que, apesar de os resultados terem apresentado diferenças relativas entre os cenários, não foi possível obter diferença estatística para todos os indicadores. Foi constatada diminuição dos indicadores de Q e Q95 e aumento nos valores de Q5 seguidos de aumento da cobertura florestal. A diferença estatística ocorreu para os indicadores Q e Q5, sendo que em ambos foi possível perceber um limiar de 50% CF, a partir do qual o deflúvio anual e o índice de máximas passaram a ser estatisticamente diferentes do cenário 0% CF. O efeito da configuração espacial foi testado por meio de simulações de cenários com a mesma proporção de cobertura florestal, mas com alterações quanto a sua configuração espacial. Foram simulados quatro cenários: CF no terço inferior (INF); CF no terço médio (MED); CF no terço superior (SUP) da bacia hidrográfica; e CF aleatoriamente distribuída na área (ALE). As hipóteses testadas foram que (i) a configuração espacial da cobertura florestal na bacia hidrográfica não tem influência no serviço hidrológico de disponibilidade de água; e (ii) a configuração espacial da cobertura florestal nas áreas próximas aos corpos hídricos (terço inferior) tem influência positiva no serviço de proteção, ou seja, no aumento deste serviço. Os resultados permitiram aceitar parcialmente as hipóteses, uma vez que apesar de relativamente ocorrer diferenças no serviço hidrológico de disponibilidade hídrica esta não foi estatisticamente significativa, o mesmo ocorrendo para o serviço de proteção. Assim como anteriormente, os resultados permitiram perceber um trade-off entre os serviços testados, pois o cenário com maior redução nos valores de Q e Q95 (INF) foi o que apresentou as maiores reduções no índice de vazão máxima. No entanto, mesmo com a diminuição nos indicadores de disponibilidade hídrica, o cenário com cobertura florestal na parte inferior da bacia hidrográfica foi considerado o mais próximo a um ótimo em relação aos serviços hidrológicos. Diante dos resultados encontrados, pode-se observar que ao se tratar de serviços hidrológicos a cobertura florestal pode apresentar trade-off entre os mesmos, sendo necessário aos programas de restauração e pagamento de serviços ambientais conhecerem esta dinâmica para maximizarem o serviço hidrológico de interesse. / Water resources recovery and maintenance are the main objectives of restoration cover forest programs and payment for ecosystem services. These programs are gaining force and incentives, especially in water crises regions. However, water resources recovery and maintenance are attributed in many cases to forest cover effects on hydrological processes and, consequently, on hydrological services. In this context, our aim in this study was to evaluate if forest cover restoration can result in increase or maintenance of hydrological services. Therefore, firstly it was necessary to calibrate and validate a distributed hydrological physical base model to simulate different land use at the catchment scale. The model parameterization was done on a monitored catchment (flow and precipitation) of agricultural characteristics (pasture and sugar cane). After calibrating and validating the model (R2 of 0.65 and 0.62, respectively), the land use scenarios were generated based on two landscape approaches: forest cover proportion and spatial configuration on catchment scale. The hydrological services used were water supply and protection; indicators for analysis were annual flow (Q), minimum flows (Q95), base flow index (BFI); maximum flows (Q5) and velocity index (IF). Q, Q95 e BFI correspond to water supply, the others are flood protection service. The first approach objective was tested forest cover proportion scenarios with a random increase in forest cover (CF) of 10%, starting with 0% CF reference scenario to 100% CF reference scenario (total of 11 simulated scenarios). The hypotheses tested were that (i) the random increase in forest cover decreases the hydrological service of water supply, and (ii) the random increase in forest cover increases the hydrological protection service. Both hypotheses were partially accepted. Since the results showed relative differences between the scenarios without statistical difference. There was a decrease in Q and Q95 indicators and an increase in Q5 values followed by an increase in forest cover. The statistical difference happened only for Q and Q5 indicators. For both hydrological services it is possible to perceive a threshold of 50% CF, from which the flow annual and the maximum index become statistically different from the 0% CF scenario. The second approach was the simulations of same forest cover proportion scenarios, however with changes in their spatial configuration. Four scenarios were simulated: CF in the lower land (LOW); CF in the middle land (MIDD); CF in the upper lands (UPP) of the river basin; and CF randomly distributed in the area (RAN). The hypotheses tested were (i) the forest cover spatial configuration has no influence on water supply hydrological service; and (ii) the forest cover spatial configuration in areas near the water bodies (lower land) has a positive impact on protection hydrological service. Our results allowed partially accepting the hypotheses, since there are relative differences in the water supply hydrological service after scenarios simulation, there was no statistically significant difference, the same occurring for the protection hydrological service. The results allow us to highlight a trade-off between hydrological services tested in this study, for example, the scenario with the greatest reduction in Q and Q95 values (LOW) also presented the greatest reductions in Q5. However, even with the decrease in water supply indicators, the LOW scenario was considered the closest to an optimum scenario to hydrological services. In view of this, we can be observed that forest cover can present hydrological services trade-off, being necessary to restoration and payment of environmental services programs to know dynamics to maximize the hydrological service of interest. It is important to emphasize that these results and analyses simulations were based on land use change scenarios (related to the evapotranspiration and surface runoff processes) and their unfolding, however, were not modified (e.g. infiltration and percolation). However, land use effects on the soil structure are still not proved a point, possibly these being key processes to forest cover restoration and hydrological services trade-off.

Neste estudo, trata-se de avaliar fontes de precipitação baseadas em estimativas por satélite e técnicas de assimilação de dados para previsão de vazões por meio do modelo hidrológico distribuído MGB-IPH. A insuficiente representatividade espacial dos pluviômetros torna difícil a correta representação dos campos de precipitações. Por outro lado, as estimativas de satélite, embora forneçam uma descrição espacial mais consistente, são potencialmente menos acuradas. Sendo assim, procura-se utilizar métodos que combinem os dados de ambas as fontes para gerar um campo de precipitação mais consistente. Neste trabalho, implementaramse dois modelos de combinação pluviômetro-satélite, CHUVSAT e MERGEHQ, através de uma metodologia de interpolação. Por outro lado, as técnicas de assimilação de dados acoplados aos modelos de previsão hidrológica são também de interesse neste estudo, pois minimizam as incertezas associadas ao processo de calibração de parâmetros, às variáveis de estado e dados de entrada do modelo hidrológico. Para esse propósito, escolheu-se a bacia do rio Tocantins e implementou-se particularmente a técnica de assimilação de dados de tipo sequencial chamado na literatura de filtro de partículas, conjuntamente com o método de filtro Kalman por conjunto e o método de assimilação AsMGB atualmente acoplado ao modelo MGB-IPH. O estudo mostra que a precipitação combinada utilizada como dado de entrada na simulação hidrológica permitiu reproduzir adequadamente os hidrogramas observados para o período de calibração e validação. Já para o caso das vazões resultantes, durante a etapa de previsão, a precipitação combinada mostrou-se com melhor desempenho em termos estatísticos que os métodos sem combinar, sobretudo após 24 horas de antecedência. Finalmente, a técnica de assimilação de dados por filtro de partículas conseguiu absorver os erros da simulação melhorando as medidas de desempenho na etapa de previsão sendo superior ao modelo de previsão sem considerar assimilação. / The objective of this study is to evaluate precipitation sources based on satellite estimates and data assimilation techniques for prediction of flows by means of the distributed hydrological model MGB-IPH. The insufficient spatial availability of rain gauges makes difficult to represent precipitation fields appropriately. In contrast, satellite estimates, although providing a more consistent spatial description, are potentially less accurate. Thus, raingauge satellite merging methods that combine data from both sources to generate a more consistent precipitation field are used herein. For this purpose, two models namely CHUVSAT and MERGEHQ were implemented using an interpolation technique. On the other hand, data assimilation techniques coupled with hydrological forecasting models are also assessed in this study. The assimilation process minimizes the uncertainties associated with the parameter calibration procedure, variable state and hydrological input data. In this manner, the sequential data assimilation technique namely particle filter in conjunction with the Kalman filter method and the assimilation method AsMGB, which is currently coupled to the MGBIPH model, were implemented and applied to the Tocantis basin. The obtained results showed that the combined precipitation used as input data in the hydrological simulation allowed reproducing adequately the observed hydrograms for the periods of calibration and validation. In the case of the resulting flows during the forecast stage, the merging precipitation was shown to perform better in statistical terms than the uncombined methods, especially after 24 hours in advance. Finally, the data assimilation technique by particle filter was able to absorb all simulation errors, improving the performance measures in the forecasting stage, thus being superior to the forecasting model without considering assimilation.

Em regiões úmidas a relação entre os mananciais superficiais e subterrâneos se dá principalmente por meio da descarga dos aquíferos para os rios, essa dinâmica é “alimentada” principalmente pela recarga subterrânea. A área de estudo foi a Bacia do Paraná 3, localizada no Sistema Aquífero Serra Geral, no estado do Paraná. O presente trabalho estudou a recarga subterrânea em duas bacias monitoradas por estações fluviométricas a partir de três diferentes métodos, o balanço hídrico, a separação do escoamento de base usando três diferentes formas de obtenção do parâmetro BFImax (tabelado, curva de permanência e filtro inverso), e a modelagem hidrológica a partir da análise dos reservatórios subterrâneo e subsuperficial do modelo MGB-IPH. Para melhor entender as águas subterrâneas, também se utilizou o TWS do GRACE para avaliar as variações do armazenamento de água na área. Os resultados obtidos mostraram que a maioria dos métodos e suas variações convergiram em grandeza (resultados médio de 491,4±31,9mm para a bacia SFV e 270,1±39,4mm para a bacia SFF), com exceção dos resultados da aplicação da separação do escoamento de base usando o BFImax tabelado (212,0mm para a bacia SFV e 160,6mm para a bacia SFF), além disso, verificou-se que o uso do esvaziamento do reservatório subsuperficial e subterrâneo juntos (612,9±18,1mm para a bacia SFV e 372,8±25,2mm para a bacia SFF) apresenta resultados similares ao uso de filtros e ao balanço hídrico, entretanto, quando se utiliza somente o esvaziamento do reservatório subterrâneo (509,1±17,3mm para a bacia SFV e 53,5±9,7mm para a bacia SFF), somente uma estação converge em resultados, a outra apresenta valores bastante inferiores, esses resultados foram explicados pelas diferentes geomorfologias das bacias. Foi verificado que a aplicação dos filtros de separação do escoamento de base em dados simulados no modelo MGB-IPH não apresenta prejuízos em relação a aplicação dos mesmos em dados observados (<4%). A variação mensal da recarga subterrânea apresentou um comportamento concordante ao TWS do GRACE. Com os resultados obtidos um modelo hidrogeológico conceitual da área foi proposto com base nas características físicas (geomorfologia, solos, características hidráulicas e hidrológicas e dados dos poços) e com base nos resultados obtidos pela aplicação dos métodos de recarga subterrânea. O modelo mostrou que a existência de topos alongados e aplainados em regiões de baixa de declividade favorecem a recarga subterrânea frente a regiões sem topos aplainados e de maior declividade, além disso, a profundidade dos solos também explicou os resultados. / In humid regions, the relationship between groundwater sources and the rivers is mainly governed by the discharge of aquifers into rivers, this dynamics is fed mainly by groundwater recharge. The study area was the Paraná Basin 3, located in the Serra Geral Aquifer System, in the state of Paraná. The present work studied the groundwater recharge in two basins monitored by gauge stations using three different methods: the water-budget method, the hydrograph separation method using three different ways of obtaining the BFImax parameter (Eckhardt pre-defined values, Q90/Q50 ratio and backwards filter) and the hydrological modeling from the analysis of the groundwater and subsurface reservoirs of the MGB-IPH model. To better understand groundwater, TWS obtained from GRACE was also used to assess variations in water storage in the area. The results showed that most of the methods and their variations converged in magnitude (average of 491,4±31,9mm for SFV basin and 270,1±39,4mm for SFF basin), except for the results of the hydrograph separation using the Eckhardt pre-defined values of BFImax (212,0mm for SFV basin and 160,6mm for SFF basin), in addition, it was verified that the use of the emptying of the subsurface and groundwater reservoir together (612,9±18,1mm for SFV basin and 372,8±25,2mm for SFF basin) presents results similar to the use of hydrograph separation and to the water-budget method, however, when only the emptying of the groundwater reservoir is used (509,1±17,3mm for SFV basin and 53,5±9,7mm for SFF basin), only one station converged in results, the other presented lower values, these results were explained by the different geomorphologies of the basins. It was verified that the application of the hydrograph separation in simulated data does not present damages in relation to the application of the same in observed data (<4%). The monthly variation of the groundwater recharge presented a concordant behavior to the TWS. With the results obtained a conceptual hydrogeological model of the area was proposed based on the physical characteristics (geomorphology, soils, hydraulic and hydrological characteristics and hydrodynamic characteristics of the wells) and based on the results obtained by the application of groundwater recharge methods. The model showed that the existence of elongated and flattened tops in low declivity regions favors groundwater recharge compared to regions with no flattened tops and with greater declivity, in addition, soil depth also influenced the results.

O aumento da ocorrência de desastres hidrológicos relacionados a inundações bruscas tem recebido maior atenção dos diversos órgãos em suas diferentes escalas, com o objetivo de reduzir ao máximo suas causas. Justamente por isso, as medidas não estruturais são medidas de extrema importância na prevenção de tais desastres. Uma dessas medidas deve ser o mapeamento de áreas de perigo de inundações. Portanto, o objetivo do presente trabalho foi propor e avaliar o perigo de inundações bruscas por meio de modelagem hidrogeomorfológica na bacia do arroio Forromeco-RS. Para isso, foi utilizado o modelo CAESAR-LISFLOOD, para representar os processos hidrológicos em escala de bacia e canal. Em escala de bacia foram gerados hidrogramas a partir da criação de chuvas de projeto para diferentes tempos de retorno (TR), considerando como base o maior evento registrado nessa bacia associado a um TR de 22 anos. Esses hidrogramas foram utilizados nas simulações em escala de canal para gerar os diferentes mapas de inundação em termos de profundidade e velocidade do fluxo da água. Para analisar as áreas de perigo de inundação, foram determinados os índices de perigo (IP) associados aos diferentes TR, a partir da profundidade e a velocidade d’água. Através das análises do resultado de IP foi criado o mapeamento final de perigo associado a três tempos de retorno (5, 22, e 100 anos). Além disso, estabeleceu-se três zonas para identificar os níveis de perigo, considerando o cenário mais crítico dos três mapas. Os resultados mostraram que a maior área inundada se encontra em alto perigo, ocupando 77% da área total, o que significa que as pessoas que moram nessa região estão em perigo tanto em casa, como fora delas. Ao mesmo tempo as construções estão em alta possiblidade de serem danificadas. / The increase in the occurrence of hydrological disasters related to flash floods has begun to be more important for several organs at different scales in order to reduce their magnitude and frequency as much as possible. Precisely because of it, non-structural measures are extremely important measures for preventing such disasters. One of these important measures might be the mapping of flood hazard areas. Therefore, the objective of the present work was to propose and evaluate the flash flood hazard by means of hydrogeomorphic modeling of the Forromeco river basin, Rio Grande do Sul state. Thus, the CAESAR-LISFLOOD model was used to represent the hydrological processes at basin and channel scale. At basin scale hydrographs were generated from the creation of hyetographs for different return periods (RP), considering the largest event recorded in this basin. These hydrographs were used in the channel scale simulations to generate the different flood maps in terms of depth and velocity of water flow. In order to analyze the flood hazard areas, the hazard indexes (HI) associated with the different RPs were determined from the depth and water velocity. Through the IP analysis, the final hazard mapping associated with three RPs (5, 22, and 100 years) was created. In addition, three zones were established to identify the hazard levels, considering the most critical scenario of the three maps. The results showed that the largest flood area is in high degree hazard, occupying 77% of the total area. It indicates that people are in danger both inside and outside houses. At the same time buildings are in high possibility of being damaged.

Neste trabalho foi proposta uma estratégia de modelagem hidrológica para a transformação chuva vazão da Bacia do Ribeirão da Onça (B.R.O) utilizando-se técnicas de auto calibração com análise de incertezas e de ponderação de modelos. Foi utilizado o modelo hidrológico Soil and Water Assessment Tool (SWAT), por ser um modelo que possui uma descrição física e de maneira distribuída dos processos hidrológicos da bacia. Foram propostas cinco diferentes séries de precipitação e esquemas de interpolação espacial a serem utilizados como dados de entrada para o modelo SWAT. Em seguida, utilizou-se o método semiautomático Sequential Uncertainty Fitting ver.-2 (SUFI-2) para a auto calibração e análise de incertezas dos parâmetros do modelo e produção de respostas com intervalos de incerteza para cada uma das séries de precipitação utilizadas. Por fim, foi utilizado o método de ponderação bayesiana de modelos (BMA) para o pós-processamento estocástico das respostas. Os resultados da análise de incerteza dos parâmetros do modelo SWAT indicam uma não adequação do método Soil Conservation Service (SCS) para simulação da geração do escoamento superficial, juntamente com uma necessidade de maior investigação das propriedades físicas do solo da bacia. A análise da precisão e acurácia dos resultados das séries de precipitação em comparação com a resposta combinada pelo método BMA sugerem a última como a mais adequada para a simulação chuva-vazão na B.R.O. / This study proposed an approach to the hydrological modeling of the Ribeirão da Onças Basin (B.R.O) based on automatic calibration and uncertainty analysis methods, together with model averaging. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) was used due to its distributed nature and physical description of hydrologic processes. An ensemble, composed by five different precipitation schemes, based on different sources and spatial interpolation methods was used. The Sequential Uncertainty Fitting ver-2 (SUFI-2) procedure was used for automatic calibration and uncertainty analysis of the SWAT model parameters, together with generation of streamflow simulations with uncertainty intervals. Following, the Bayesian Model Averaging (BMA) was used to merge the different responses into a single probabilistic forecast. The results of the uncertainty analysis for the SWAT parameters show that the Soil Conservation Service (SCS) model for surface runoff prediction may not be suitable for the B.R.O, and that more investigations about the soil physical properties at the Basin are recommended. An analysis of the accuracy and precision of the simulations produced by the precipitation ensemble members against the BMA simulation supports the use of the latter as a suitable framework for streamflow simulations at the B.R.O.

Baseado em uma relação simples entre volume de madeira em pé e deflúvio observados em duas microbacias com povoamentos de eucaliptos, este estudo compara os resultado obtido por três modelos de programação linear: (i) um que maximiza o valor total do projeto, com restrições de área e de produção de madeira; e (ii) dois outros modelos que fazem o mesmo com o controle do indicador hidrológico (deflúvio). A hipótese principal do trabalho é que a consideração do indicador hidrológico no planejamento de povoamentos florestais afeta significativamente os regimes de manejo, alterando os planos de colheita e o fluxo de produção de madeira. A área de estudo é constituída por trinta e cinco unidades de gestão, com áreas que variam de 30 ha a 800 ha e diferentes produtividades, totalizando 8007 ha. Regimes de talhadia simples, baseados em dois cortes, diferem entre si apenas pela idade em que a floresta é cortada. O nível de deflúvio e o volume de madeira em pé foram estatisticamente ajustados utilizando um modelo exponencial baseado na coleta de dados na área de estudo. O resultado da relação entre deflúvio e estoque de madeira mostra uma curva que é convexa em relação a origem e negativamente inclinada. Como as áreas de corte raso e florestas novas produzem fluxos de deflúvio elevados, a regularização do mesmo foi incluída como restrição no modelo. Os resultados obtidos permitem concluir que a inclusão das restrições hidrológicas no modelo afetou o manejo, alterou o fluxo de produção de madeira e resultou em valores presente líquidos globais diferentes para cada modelo, confirmando então a principal hipótese do trabalho. A água e a madeira são dois recursos de grande importância e devem ser controlados simultaneamente. As técnicas de programação linear se mostraram eficientes para gerir o manejo desses recursos. / Based on a simple relationship between growing stock and water outflow observed on two watersheds planted with Eucalyptus in Brazil, this study compares the results obtained by three different linear programming formulations: (i) one that maximizes the net present value simply constrained by area and a regulated wood production flow; and (ii) two other models that maximize the net present value constrained by area, a regulated wood production flow, and specific hydrological goals. As one of the hypothesis, it is stated that the inclusion of hydrological constraints in the model will affect significantly the selection of forest regimes, altering the final harvest-scheduling plan and the wood production flow. Thirty-five management units, with areas ranging from 30 ha to 800 ha and different site indexes, form an Eucalyptus plantation project with 8.007 hectares. Simple coppice regimes, based on two clear cuts followed by the complete renewal of the plantation, differ one to another only by the age at which the clear cut is scheduled. Water outflow levels and stock volume levels were statistically adjusted according to an exponential model based on data collected on watersheds in the study area. The resulting relationship between outflow and stock volume shows a curve that is convex to the origin and negatively sloped. Given that clear-cut areas produce highly undesirable water outflows to the watershed, maximum water outflow limits had to be included as constraints in the model. Results obtained by the hydrologically constrained model confirm the hypothesis that the wood production flow is affected by limiting water outflow. The study allowed the attribution of economical values to different levels of limitations in terms of total water production in the watershed. Water and wood, two of the most important assets to a forester, should be managed together. Linear programming modeling techniques, proved to be very efficient when managing such resources.

Le changement climatique devrait induire une augmentation des précipitations pendant l'hiver et le printemps dans les régions tempérées et la côte nord de l'Europe. Dans les écosystèmes fluviaux, les précipitations affectent directement le débit des eaux courantes et les rivières subiront des crues plus sévères. En outre, la température de l'air et de l'eau augmenteront à travers le monde. Ces nouvelles conditions environnementales vont avoir des conséquences sur la phénologie des espèces et les interactions prédateurs/proies. Les jeunes truites fario (Salmo trutta L.) commencent leur alimentation exogène en mars/avril. Cette étape critique de leur cycle de vie induit d’importants changements aussi bien physiologiques que comportementaux. Pour permettre un bon développement des individus et un taux de survie élevé, les proies doivent être disponibles et abondantes, en particulier à ce moment de l’ontogénèse où les juvéniles sont vulnérables au manque de nourriture et à la prédation. Des expériences en milieux contrôlés ont été menées pour quantifier la sensibilité à différentes modalités de vitesses de courant de trois espèces d’invertébrés couramment consommées par les salmonidés et pour évaluer l’effet de la température sur le métabolisme d’alevins en situation de jeûne. Des expériences en milieu semi-naturel ont été mises en place pour mieux comprendre les effets d’une crue sur la communauté d’invertébrés et sur la survie, le comportement et la croissance des alevins en première alimentation. Il apparaît que la crue impacte différemment les truites en fonction du moment de la saison auquel elles commencent à s’alimenter (au début ou à la fin du printemps) et de la productivité du système. / Global Climate Change will increase precipitations in the temperate and Northern coast of Europe during winter and spring. In riverine ecosystems, precipitation affects directly the discharge of running waters and, thus, it is predicted that streams will face more severe floods. Additionally, air and water temperature will increase all over the world. These new environmental conditions can alter the phenology of species and predator/prey interactions. Newborns of brown trout (Salmo trutta L.) start their exogenous feeding in March/April. This stage is a critical step as individuals undergo huge physiological and behavioral changes. To allow a good development and a high survival rate, prey has to be abundant, particularly during early ontogenesis when they are most vulnerable to food scarcity and predation. In this thesis, experiments in controlled-environment were conducted to estimate the effect of water velocity on the preferred prey taxa for salmonids and to understand the effect of temperature on the metabolism of alevins facing starvation. Experiments in semi-natural conditions were set up to better understand the effects of floods on invertebrate communities and on survival, behavior and growth of first-feeding alevins. Our data support that floods affect trout differently depending on when they start feeding (early or late spring) and the availability of prey in their environment.

Submitted by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2017-08-16T14:08:03Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Alice_Alonzo_Steinmetz_Estimativa_de_cheias_aplicando_a_técnica_de_hidrograma_unitário_com_diferentes_abordagens_de_discretização_espacial.pdf: 7122282 bytes, checksum: aef191b90c4f1b064f63c6126e7c0c2f (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-16T14:08:03Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Alice_Alonzo_Steinmetz_Estimativa_de_cheias_aplicando_a_técnica_de_hidrograma_unitário_com_diferentes_abordagens_de_discretização_espacial.pdf: 7122282 bytes, checksum: aef191b90c4f1b064f63c6126e7c0c2f (MD5) Previous issue date: 2017-03-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / A indispensabilidade de preservação dos recursos hídricos estimula os pesquisadores a procurarem uma melhor compreensão quantitativa do ciclo hidrológico. A escassez de monitoramento hidrológico, confrontada com as grandes dimensões das bacias hidrográficas do Brasil, inviabilizam a mensuração da vazão em bacias de pequeno porte, bem como a análise de seu comportamento ao longo de um curso d’água. No tocante à gestão de cheias em bacias hidrográficas, as séries históricas de vazão são fundamentais para entender a resposta da bacia hidrográfica à ocorrência de eventos de chuvas intensas. A necessidade de dados hidrológicos repercute no desenvolvimento de modelos capazes de estimar hidrogramas de escoamento superficial direto (ESD), elemento de maior relevância para a análise de vazões resultantes de eventos extremos de precipitação. Dentre as técnicas de modelagem do ESD, destacam-se a teoria do Hidrograma Unitário (HU) e do Hidrograma Unitário Instantâneo (HUI). O objetivo principal deste trabalho foi avaliar a aplicabilidade e limitações de modelos de HU sintéticos tradicionalmente empregados na engenharia hidrológica (Triangular-HUT e Adimensional-HUA), além de modelos de HUI conceituais (Nash-HUIN e Clark-HUIC) e de suas versões geomorfológicas (Nash-HUIGN e Clark-HUIGC). Todos os procedimentos relacionados aos modelos de HU e HUI foram conduzidos considerando dois cenários de estudo: modelagem concentrada (cenário 1) e modelagem distribuída (cenário 2). A área de estudo foi a bacia hidrográfica do arroio Cadeia que é uma importante sub-bacia da bacia hidrográfica do arroio Pelotas (BHAP), situada no sul do estado do Rio Grande do Sul. As informações primordiais para a aplicação de tais modelos foram as variáveis topográficas extraídas do modelo digital de elevação e dados temporais de chuva e vazão monitorados na bacia, fazendo uso da rede de monitoramento hidrológico existente na BHAP. Dez eventos chuva-vazão foram analisados e o método do Número da Curva possibilitou estimar a distribuição temporal de precipitações efetivas para ambos os cenários. O processamento computacional constituiu-se da aplicação do software HEC-HMS e da linguagem de programação R para a análise dos modelos de HU e HUI supracitados. Para a calibração dos parâmetros dos modelos, empregou-se o algoritmo Nelder Mead. As principais constatações deste trabalho foram: i) os modelos HUIC e HUIN foram os que tiveram melhor acurácia para estimativa de vazões de pico e dos hidrogramas; ii) as formulações geomorfológicas não são universais e necessitam ser utilizadas com cautela; iii) os modelos ajustados apresentaram desempenho ligeiramente superior quando discretizado por sub-bacia; iv) os modelos que utilizam parâmetros geomorfológicos possuíram melhor desempenho quando aplicada a modelagem concentrada; v) o algoritmo Nelder Mead pode ter aplicação limitada; vi) outros algoritmos devem ser investigados em estudos futuros no intuito de buscar soluções mais adequadas; vii) no cenário 2 foi possível discretizar os parâmetros e relacionar com a realidade hidrológica da bacia em estudo. / The indispensability of preserving water resources encourages researchers to seek a better quantitative understanding of the hydrological cycle. The scarcity of hydrological monitoring in conjunction with the large dimensions of Brazilian watersheds makes it unfeasible to measure stream flow and to analyze its behavior along a watercourse in small-sized watersheds. With regard to flood management in watersheds, historical stream flow series are fundamental to understand the watershed response to the occurrence of heavy rainfall events. The need for hydrological data stimulates the development of models capable of estimating direct surface runoff (DSR) hydrographs, which is the most relevant component when analyzing stream flows originated from extreme rainfall events. Among the techniques available for DSR modeling, the theory of Unit Hydrograph (UH) and Instantaneous Unit Hydrograph (IUH) should be highlighted. The main objective of this study was to evaluate the applicability and limitations of synthetic UH models traditionally used in hydrological engineering (Triangular-TUH and Dimensionless-DUH), conceptual IUH models (Nash-NIUH and Clark-CIUH) and their geomorphological versions (Nash-GNIUH and Clark-GCIUH). All the procedures involving UH and IUH models were carried out taking into account two study scenarios: lumped modeling (scenario 1) and distributed modeling (scenario 2). The study area was the Cadeia river watershed, which is an important subwatershed of the Pelotas river watershed (PRW), located in the south of Rio Grande do Sul State. The main information for the application of such models were topographical variables extracted from digital elevation model and temporal series related to rainfall and stream flow monitored in the watershed, making use of the existing hydrological monitoring network in the PRW. Ten rainfall-runoff events were evaluated and the Curve Number method was used to estimate the temporal distribution of effective rainfalls for both scenarios. The computational processing consisted of the application of both HEC-HMS software and R programming language for analysis of the aforementioned UH and IUH models. Nelder Mead algorithm was employed for calibration of the models’ parameters. The main findings of this study were: i) CIUH and NIUH were the models that had the best accuracy for estimation of peak stream flows and hydrographs; ii) the geomorphological formulations are not universal and need to be used carefully; iii) the adjusted models resulted in slightly superior performance when discretized by sub-basin; iv) the models dependent on geomorphological parameters had better performance when lumped modeling was applied; v) the Nelder Mead algorithm may have limited application; vi) other algorithms should be investigated in future studies in order to seek more adequate solutions; vii) in scenario 2, it was possible to discretize the parameters and relate them to the hydrological reality of the watershed under analysis.

Submitted by Erika Demachki (erikademachki@gmail.com) on 2014-08-29T15:51:26Z No. of bitstreams: 2 Dissertação_pós_defesa.pdf: 13484145 bytes, checksum: d45c9d8ffd66532d7cea17f178e2fe9c (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-08-29T15:51:26Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação_pós_defesa.pdf: 13484145 bytes, checksum: d45c9d8ffd66532d7cea17f178e2fe9c (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2014-04-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / This study aimed to develop and calibrate a distributed hydrological model used for a one-dimensional drainage of a peri-urban catchment using the optimization multi-objective method Non -dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA - II) for model calibration. Computational algorithms developed in MATLAB environment were adopted to make this study possible. This model allows a precipitation event to set the surface runoff hydrograph at any position of the watershed (planes or channels) regarding infiltration effect and soil physical characteristics. Objective functions were defined and used simultaneously to calibrate the model. From sensitivity analysis performed, it was found that the model is more affected by the parameters related to permeable areas. The model fit was very good, illustrating the applicability of multi-objective calibration in exploring ideal area and to obtain ideal solutions. Validation proved the efficiency of the model used for other different rainfall events in Samambaia stream basin, generating outputs with good accuracy and optimal theoretical value results for Nash & Sutcliffe coefficients of efficiency near the area region. / O presente trabalho propôs desenvolver e calibrar um modelo hidrológico distribuído unidimensional aplicado a drenagem de uma bacia hidrográfica peri-urbana utilizando o método de otimização multi-objetivo Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II) para a calibração do modelo. Para tornar possível a realização deste trabalho foram adotadas rotinas computacionais desenvolvidas em ambiente MATLAB. O modelo desenvolvido permite, para um evento de precipitação, determinar o hidrograma de escoamento superficial em qualquer posição da bacia hidrográfica (planos ou canais) considerando o efeito da infiltração e das características físicas do solo. Foram definidas funções objetivo e aplicadas simultaneamente na calibração do modelo. Da análise de sensibilidade realizada, verificou-se que o modelo é mais impactado pelos parâmetros relativos às áreas permeáveis. O ajuste do modelo foi muito bom, ilustrando a aplicabilidade da calibração multi-objetivo em explorar a região ideal e obter soluções ideais. A validação comprovou a eficiência do modelo, aplicada a outros eventos chuvosos diferentes ocorridos na bacia do córrego Samamabaia, gerando saídas com acurácia satisfatória e resultados para os coeficientes de eficiência Nash & Sutcliffe próximos à região do valor ótimo teórico.

Made available in DSpace on 2015-04-22T22:02:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ana karolina.pdf: 4541487 bytes, checksum: d0e6cad6293572a6e9b57e1920b64f33 (MD5) Previous issue date: 2008-08-22 / The hydrological cycle of the rivers is the main source of the renewal of the fertility on floodplains and has a great influence on the limnological characteristics of Amazonian waters. The extraction of petroleum in the headwaters of the Urucu River and the construction of the Urucu-Coari-Manaus gas pipeline are sources of possible anthropic impacts in the region. The seasonal and spatial variation of temperature, pH, electrical conductivity and dissolved oxygen were studied in the water column of the Urucu, Solimões and Negro rivers. Also, major cations (Na, K, Ca and Mg) and the trace elements (Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb e Zn) were studied in the sub-surface waters of the same rivers during the rising water period, peak high water period, falling water period and peak low water period during the hydrological cycle of the year 2006. The variables in the water column were measured with digital probes. For all other parameters water samples were collected just below the surface with a Ruttner sampler, filtered and preserved. The alkali metals were analyzed by Flame Photometry and the alkaline-earth metals and trace elements by Flame Atomic Absorption Spectroscopy. The data were evaluated with ANOVA to establish the existence of the variation of the chemical elements between the different periods of the hydrological cycle and between rivers. In order to recognize patterns in the behavior of the variables a Principal Components (PCA) and a Hierarchical Cluster (HCA) analysis were applied. In general there are hidrochemical similarities between the Urucu and Negro rivers, in the Solimões River the concentration of the elements is greater, especially calcium and there is variability depending on the phase of the hydrological cycle. In the Urucu River the limnological variables increased from the rising water period to the peak low water period. In the Solimões River pH and dissolved oxygen increased from the rising water period to the falling water period while temperature and electrical conductivity decreased from the rising water period to the peak high water period and increased thereafter up to the peak low water period. In the Negro River pH and oxygen increased during the peak high water period and peak low water period. Temperature decreased from the rising water period to peak high water period and increased from the high water period to peak low water period, conductivity was constant during the hydrological cycle with a small increase at the peak high water period and lower values during the peak low water period. In all three rivers the greatest temperatures were registered during the low water period. Considering the entire hydrological cycle the dominance of the major elements was K+>Ca2+>Na+>Mg2+ for the Urucu and Negro Rivers and Ca2+>Mg2+>Na+>K+ for the Solimões River. Throughout the hydrological cycle the mean sum of all the major elements in the Solimões River (14,003mg/L) was about 5.3 times greater than that of the Urucu River and 14 times greater than the Negro river, with emphasis on calcium which was 10 times greater than the greatest element in the other two rivers. According to the ANOVA there was no significant variation between the different periods of the hydrological cycle in the Urucu River for the concentrations of Cd, Cr e Ni; in the Solimões River for the concentrations of Na, Cd, Co e Cu; and in the Negro River of K, Ca, Mg, Cu, Ni e Pb. Between the rivers, for the major part of the hydrological cycle, principally during the rising water period, there was no significant variation between the Urucu and Negro rivers. The PCA and the HCA lend support to the similarities between the Urucu and Negro rivers, the differences between these rivers and the Solimões River and the significant correlations between all the trace elements and the major elements with the exception of Fe which had no correlation with any element. Therefore this study shows that there are seasonal and spatial variations in the concentrations of major and trace elements between the three rivers. The data should be looked upon as those of a practically unaltered equatorial ecosystem and in this manner become part of a basic data base for posterior comparisons and subsidize research with respect to nutrient fluxes in the drainage basins of the three rivers for the evaluation of an eventual anthropogenic impact. / O ciclo hidrológico dos rios é a principal fonte de renovação da fertilidade das áreas inundáveis e exerce influência marcante nas características limnológicas das águas amazônicas. A extração de petróleo nas cabeceiras do rio Urucu e a construção do gasoduto Urucu-Coari-Manaus são fontes de possíveis impactos antrópicas nesse percurso. Foram estudadas a variação sazonal e espacial de temperatura, pH, condutividade e oxigênio dissolvido nos Urucu, Solimões e Negro; e de elementos majoritários (Na, K, Ca e Mg) e elementos-traço (Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb e Zn) na camada sub-superficial dos mesmos rios na enchente, cheia, vazante e seca do ciclo hidrológico de 2006. As variáveis na coluna de água foram medidas com potenciômetros digitais. Para as outras determinações foram coletadas amostras de água na sub-superfície com garrafa de Ruttner, filtradas e preservadas. Os metais alcalinos foram analisados por Fotometria de Chama e os alcalinos terrosos e elementos-traço por Espectrometria de Absorção Atômica de Chama. Os dados obtidos foram avaliados por ANOVA, para estabelecer a existência de variação dos elementos químicos entre fases do ciclo hidrológico e entre os rios. Para o reconhecimento de padrões no comportamento das variáveis foram utilizadas a análise de Componentes Principais (PCA) e de Agrupamentos Hierárquicos (HCA). De modo geral, destaca-se que há semelhanças hidroquímicas entre os rios Urucu e Negro; que no Solimões as concentrações dos elementos químicos são freqüentemente maiores, especialmente o cálcio; e que há variação de acordo com a fase do ciclo hidrológico. As variáveis limnológicas no rio Urucu apresentaram maiores valores no sentido enchente-cheia-vazante-seca. No rio Solimões os valores de pH e oxigênio dissolvido aumentaram da enchente para a vazante, enquanto que a temperatura e a condutividade elétrica diminuíram da enchente para a cheia e aumentaram da cheia para aseca. No rio Negro o pH e o oxigênio aumentaram na cheia e na seca, a temperatura diminui da enchente para a cheia e aumentou da cheia para a seca; a condutividade permaneceu praticamente inalterada com discreto aumento na cheia e menores valores na seca. Em todos os ambientes as maiores temperaturas foram registradas no período de águas baixas. Considerando todo o ciclo hidrológico a relação de dominância para os elementos majoritários ficou estabelecida em: K+>Ca2+>Na+>Mg2+ para os rios Urucu e Negro e, Ca2+>Mg2+>Na+>K+ para o Solimões. Para o mesmo período a soma média de todos os 10 majoritários no Solimões (14,003 mg/L) foi cerca de 5,3 vezes maior do que no Urucu e 14 vezes maior do que no rio Negro, destacando-se o cálcio com teor até 10 vezes maior que o elemento em maior concentração nos outros dois rios. De acordo com a ANOVA, entre as fases não houve variação significativa no rio Urucu para as concentrações de Cd, Cr e Ni; no rio Solimões, para os teores de Na, Cd, Co e Cu; e no rio Negro para as concentrações de K, Ca, Mg, Cu, Ni e Pb. Entre os rios, na maior parte do ciclo hidrológico, principalmente na enchente, não houve variação significativa entre Urucu e Negro. A PCA e a HCA corroboraram as semelhanças entre Urucu e Negro, as diferenças entre estes rios e o Solimões e as correlações significativas entre todos os elementos-traço e majoritários, com exceção do Fe, sem correlação com qualquer elemento. Portanto, este estudo comprova que há variação sazonal e espacial das concentrações de elementos majoritários e elementos-traço entre os três rios estudados. Os dados apresentados devem ser vistos como os de um ecossistema equatorial praticamente inalterado podendo, desta forma, tornarem-se parte de um banco básico de dados para comparações posteriores e subsidiar pesquisas quanto ao fluxo de nutrientes na área de drenagem nestas bacias para avaliação de atividades antropogênicas nesses rios no futuro.