É amplamente conhecida a crescente utilização de modelos hidrológicos com o fim de representar simplificadamente os complexos processos do ciclo hidrológico em bacias hidrográficas. O ajuste destes modelos passa por uma etapa de calibração onde os valores de seus parâmetros são definidos. Novas ferramentas de otimização vem sendo desenvolvidas com o passar do tempo e surge a necessidade de avaliar seu desempenho na calibração automática de modelos hidrológicos que utilizamos no dia-a-dia como, por exemplo, o IPH II. Nesse contexto, nessa pesquisa foi desenvolvido um algoritmo baseado no comportamento de colônias de formigas, denominado ACO-IPH. Os algoritmos baseados no comportamento de colônia de formigas, desde a sua conceição foram projetados para fins de otimização e testados, até a atualidade, em diversas aplicações, onde apresentaram desempenhos aceitáveis, embora as aplicações na calibração de modelos hidrológicos sejam escassas. O algoritmo ACO-IPH foi inicialmente testado em funções matemáticas com ótimos conhecidos apresentando um bom desempenho em termos de eficiência e eficácia. Posteriormente foi acoplado ao modelo hidrológico IPH II como uma alternativa na calibração automática mono-objetivo e verificado seu desempenho e as simplificações e limitações de sua utilização. Uma vez acoplado, o algoritmo foi testado na calibração automática do modelo IPH II utilizando uma série sintética de vazões e, posteriormente, utilizando séries reais de vazões em quatro bacias hidrográficas. O desempenho do algoritmo foi avaliado em termos de eficácia e eficiência, para três diferentes funções-objetivo e utilizando como critério de comparação o algoritmo SCE-UA. Os diferentes testes executados na calibração automática do modelo hidrológico IPH II mostraram que o ACO-IPH consegue encontrar boas soluções, porém não consegue apresentar um desempenho, em termos de eficiência e eficácia, comparável a algoritmos do estado da arte atual, como o algoritmo SCE-UA. A perda de eficiência do ACO-IPH em comparação ao SCE-UA é a mais importante, podendo demorar, em média, até 10 vezes mais até a convergência. / It is widely known the increasing use of hydrologic models in order to represent the complex processes of the hydrological cycle in watersheds. To adjust these models a calibration step is necessary, where the values of its parameters are defined. New optimization tools have been recently developed that could be used for the automatic calibration of hydrologic models as the IPH II. In this study an algorithm was developed based on the behavior of ant colonies, named ACO-IPH. Since its conception, the mathematical algorithms based on ants foraging behavior were designed for optimization purposes and tested, until today, in several applications, where it showed acceptable performance, although the applications for the calibration of hydrologic models are scarce. The ACO-IPH algorithm was initially tested on mathematical functions where the global optimum was known showing a good performance in terms of efficiency and effectiveness.Then it was coupled to the hydrologic model IPH II as an alternative for the single-objective automatic calibration. Several indices were estimated to assess the ACO-IPH performance after analyzing the simplifications and limitations of its use. Once coupled to the IPH II model, the algorithm was tested in the calibration processes using synthetic streamflow series and later using real series of observed streamflows in four watersheds. The algorithm's performance was assessed in terms of effectiveness and efficiency for three different objective functions and using as a basis of comparison the SCE -UA algorithm. The different tests performed in automatic calibration of hydrological model IPH II showed that ACO-IPH can find good solutions, but cannot reach the efficiency and effectiveness of other evolutionary algorithms like the SCE-UA. The loss of effectiveness of ACO-IPH compared to the SCE-UA is the most relevant. The ACO-IPH took, on average, 10 times longer toconvergence.

É amplamente conhecida a crescente utilização de modelos hidrológicos com o fim de representar simplificadamente os complexos processos do ciclo hidrológico em bacias hidrográficas. O ajuste destes modelos passa por uma etapa de calibração onde os valores de seus parâmetros são definidos. Novas ferramentas de otimização vem sendo desenvolvidas com o passar do tempo e surge a necessidade de avaliar seu desempenho na calibração automática de modelos hidrológicos que utilizamos no dia-a-dia como, por exemplo, o IPH II. Nesse contexto, nessa pesquisa foi desenvolvido um algoritmo baseado no comportamento de colônias de formigas, denominado ACO-IPH. Os algoritmos baseados no comportamento de colônia de formigas, desde a sua conceição foram projetados para fins de otimização e testados, até a atualidade, em diversas aplicações, onde apresentaram desempenhos aceitáveis, embora as aplicações na calibração de modelos hidrológicos sejam escassas. O algoritmo ACO-IPH foi inicialmente testado em funções matemáticas com ótimos conhecidos apresentando um bom desempenho em termos de eficiência e eficácia. Posteriormente foi acoplado ao modelo hidrológico IPH II como uma alternativa na calibração automática mono-objetivo e verificado seu desempenho e as simplificações e limitações de sua utilização. Uma vez acoplado, o algoritmo foi testado na calibração automática do modelo IPH II utilizando uma série sintética de vazões e, posteriormente, utilizando séries reais de vazões em quatro bacias hidrográficas. O desempenho do algoritmo foi avaliado em termos de eficácia e eficiência, para três diferentes funções-objetivo e utilizando como critério de comparação o algoritmo SCE-UA. Os diferentes testes executados na calibração automática do modelo hidrológico IPH II mostraram que o ACO-IPH consegue encontrar boas soluções, porém não consegue apresentar um desempenho, em termos de eficiência e eficácia, comparável a algoritmos do estado da arte atual, como o algoritmo SCE-UA. A perda de eficiência do ACO-IPH em comparação ao SCE-UA é a mais importante, podendo demorar, em média, até 10 vezes mais até a convergência. / It is widely known the increasing use of hydrologic models in order to represent the complex processes of the hydrological cycle in watersheds. To adjust these models a calibration step is necessary, where the values of its parameters are defined. New optimization tools have been recently developed that could be used for the automatic calibration of hydrologic models as the IPH II. In this study an algorithm was developed based on the behavior of ant colonies, named ACO-IPH. Since its conception, the mathematical algorithms based on ants foraging behavior were designed for optimization purposes and tested, until today, in several applications, where it showed acceptable performance, although the applications for the calibration of hydrologic models are scarce. The ACO-IPH algorithm was initially tested on mathematical functions where the global optimum was known showing a good performance in terms of efficiency and effectiveness.Then it was coupled to the hydrologic model IPH II as an alternative for the single-objective automatic calibration. Several indices were estimated to assess the ACO-IPH performance after analyzing the simplifications and limitations of its use. Once coupled to the IPH II model, the algorithm was tested in the calibration processes using synthetic streamflow series and later using real series of observed streamflows in four watersheds. The algorithm's performance was assessed in terms of effectiveness and efficiency for three different objective functions and using as a basis of comparison the SCE -UA algorithm. The different tests performed in automatic calibration of hydrological model IPH II showed that ACO-IPH can find good solutions, but cannot reach the efficiency and effectiveness of other evolutionary algorithms like the SCE-UA. The loss of effectiveness of ACO-IPH compared to the SCE-UA is the most relevant. The ACO-IPH took, on average, 10 times longer toconvergence.

É amplamente conhecida a crescente utilização de modelos hidrológicos com o fim de representar simplificadamente os complexos processos do ciclo hidrológico em bacias hidrográficas. O ajuste destes modelos passa por uma etapa de calibração onde os valores de seus parâmetros são definidos. Novas ferramentas de otimização vem sendo desenvolvidas com o passar do tempo e surge a necessidade de avaliar seu desempenho na calibração automática de modelos hidrológicos que utilizamos no dia-a-dia como, por exemplo, o IPH II. Nesse contexto, nessa pesquisa foi desenvolvido um algoritmo baseado no comportamento de colônias de formigas, denominado ACO-IPH. Os algoritmos baseados no comportamento de colônia de formigas, desde a sua conceição foram projetados para fins de otimização e testados, até a atualidade, em diversas aplicações, onde apresentaram desempenhos aceitáveis, embora as aplicações na calibração de modelos hidrológicos sejam escassas. O algoritmo ACO-IPH foi inicialmente testado em funções matemáticas com ótimos conhecidos apresentando um bom desempenho em termos de eficiência e eficácia. Posteriormente foi acoplado ao modelo hidrológico IPH II como uma alternativa na calibração automática mono-objetivo e verificado seu desempenho e as simplificações e limitações de sua utilização. Uma vez acoplado, o algoritmo foi testado na calibração automática do modelo IPH II utilizando uma série sintética de vazões e, posteriormente, utilizando séries reais de vazões em quatro bacias hidrográficas. O desempenho do algoritmo foi avaliado em termos de eficácia e eficiência, para três diferentes funções-objetivo e utilizando como critério de comparação o algoritmo SCE-UA. Os diferentes testes executados na calibração automática do modelo hidrológico IPH II mostraram que o ACO-IPH consegue encontrar boas soluções, porém não consegue apresentar um desempenho, em termos de eficiência e eficácia, comparável a algoritmos do estado da arte atual, como o algoritmo SCE-UA. A perda de eficiência do ACO-IPH em comparação ao SCE-UA é a mais importante, podendo demorar, em média, até 10 vezes mais até a convergência. / It is widely known the increasing use of hydrologic models in order to represent the complex processes of the hydrological cycle in watersheds. To adjust these models a calibration step is necessary, where the values of its parameters are defined. New optimization tools have been recently developed that could be used for the automatic calibration of hydrologic models as the IPH II. In this study an algorithm was developed based on the behavior of ant colonies, named ACO-IPH. Since its conception, the mathematical algorithms based on ants foraging behavior were designed for optimization purposes and tested, until today, in several applications, where it showed acceptable performance, although the applications for the calibration of hydrologic models are scarce. The ACO-IPH algorithm was initially tested on mathematical functions where the global optimum was known showing a good performance in terms of efficiency and effectiveness.Then it was coupled to the hydrologic model IPH II as an alternative for the single-objective automatic calibration. Several indices were estimated to assess the ACO-IPH performance after analyzing the simplifications and limitations of its use. Once coupled to the IPH II model, the algorithm was tested in the calibration processes using synthetic streamflow series and later using real series of observed streamflows in four watersheds. The algorithm's performance was assessed in terms of effectiveness and efficiency for three different objective functions and using as a basis of comparison the SCE -UA algorithm. The different tests performed in automatic calibration of hydrological model IPH II showed that ACO-IPH can find good solutions, but cannot reach the efficiency and effectiveness of other evolutionary algorithms like the SCE-UA. The loss of effectiveness of ACO-IPH compared to the SCE-UA is the most relevant. The ACO-IPH took, on average, 10 times longer toconvergence.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:09:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2940613 bytes, checksum: c2ca77347eb4c70d77a6a159866db8b4 (MD5) Previous issue date: 2013-06-03 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The intense population growth of the last decades has shown the lack of urban planning of brazilian cities. The disordered urbanization process involves directly in increased impervious areas, changing natural conditions and interfering in hydrological cycle. The metropolitan area of the João Pessoa city, Paraíba, has suffered from urban expansion without urban planning and has seen various impacts, such as floods. In the region of the river Cuiá basin, located in southern coastline of Paraíba, in the municipality of João Pessoa, between the UTM coordinates 9.210.000N/302.000E e 9200.00N/292.000E, such events have been repeated in periods of heavier rainfall. In this sense, the application of hydrological models has been recommended for prediction of impacts on water resources and assists in the decision making of managers. Thus, this study aims to estimate the impacts of urbanization on flooding in the river Cuiá basin. For this, we used the hydrological models IPH II and HEC-RAS and considered three urbanization scenarios (current, trend and critic), defined based on certain percentages of soil sealing and urban occupation. The rainfall-runoff simulations were performed considering rainfall with return period of 10, 50 and 100 years allowed us to estimate the impacts on the flows generated, on peak times and on floodplains of the basin. With the simulation results, it was found that the lower frequency rainfall results in peak flow up to 80% higher than the highest frequency. Under the same conditions, peak times were reduced on average by 10% when compared to the critical and current scenarios. The flood simulations generated information that allowed create the flood maps. Considering the potencial of flood scenarios more critical and less frequent events, floodplains can be as much as 13% higher than in the current scenario. / O intenso crescimento populacional das ultimas décadas tem evidenciado a falta de planejamento urbano das cidades brasileiras. O processo de urbanização desordenado implica diretamente no aumento de áreas impermeáveis, modificando condições naturais do meio e interferindo no ciclo hidrológico. A região metropolitana da cidade de João Pessoa, Paraíba, tem sofrido com a expansão urbana sem planejamento e, por consequência, visualizado vários impactos, como as inundações e os alagamentos. Na bacia hidrográfica do rio Cuiá, localizada no sul do litoral paraibano, no município de João Pessoa, entre as coordenadas UTM 9.210.000N/302.000E e 9200.00N/292.000E, eventos desse tipo são constantemente verificados nos períodos de chuvas mais intensas. Nesses casos, a aplicação de modelos hidrológicos tem sido recomendada para previsão dos impactos sobre os recursos hídricos e auxiliar no processo de tomada de decisão por parte dos gestores. Nesse sentido, este estudo tem como objetivo estimar os impactos da urbanização sobre as inundações urbanas na bacia hidrográfica do rio Cuiá. Para isso, utilizou-se os modelos hidrológicos IPH II e HEC-RAS, considerando três cenários de urbanização (atual, tendencial e crítico), definidos com base em percentuais de impermeabilização do solo e de áreas de ocupação urbana. As simulações chuva-vazão foram realizadas considerando chuvas com tempos de retorno de 10, 50 e 100 anos e permitiram estimar os impactos sobre as vazões geradas, sobre os tempos de pico e sobre áreas inundáveis da bacia. Com os resultados das simulações, verificou-se que as vazões máximas foram até 80% maiores quando resultantes de chuvas de menor frequência, do que de maior frequência. Nessas mesmas condições, o tempo do pico foi reduzido, em média, em 10% quando comparados os cenários crítico e atual. As simulações das inundações geraram informações que permitiram confeccionar os mapas de inundações. Ao se considerar o potencial das inundações nos cenários mais críticos e para eventos menos frequentes, as áreas inundáveis podem chegar a ser até 13% maiores do que no cenário atual.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In Hydrological rainfall-runoff models, rainfall is one of the main variables analyzed before being used as input data. However, its peculiar characteristics of occurrence make it challenging to measure, especially for developing countries, since it requires monitoring networks with high spatial and temporal resolutions. To overcome such problems, the use of remote sensing to estimate rainfall is being gradually diffused, with results considered of good reliability. In this sense, the objective was to evaluate the results generated by a rainfall-runoff modeling, using precipitation information estimated by the TRMM satellite, applied to four watersheds of different scales. To achieve this objective was used the concentrated model IPH II in the version for Windows® (WIN_IPH2 version 2, denominated in this work as WIPH2). In a first analysis, conducted for the watersheds of the rivers Turvo (1,540 km2), Ijuí (9,450 km2), Jacuí (38,700 km2) and Alto Uruguai (61,900 km2), which are located in southern Brazil, it was observed that the precipitation estimates provided by the TRMM satellite generated consistent spatialized mean rainfall in relation to the generated by rain gauges networks. Were found errors about 7.5% (Ijuí River watershed) to 15% (Turvo River, Jacuí River and Alto Uruguai watersheds). In overall, the daily mean rainfall, generated by the TRMM estimates, increased their correlation with the rain gauges information, as there was an increase in the watershed drainage area. In the modeling, it was noted that the WIPH2 showed good fit for the simulation of flows in the selected watersheds, with exception to the application in the Alto Uruguai watershed. In some cases, even though the mean rainfall estimated by the TRMM had generated greater uncertainty regarding the data generated by the different rain gauge networks, the model was able to compensate the deficiency of this information, by changing parameters within limits considered acceptable for the characteristics watershed. It was found that, in overall, precipitation estimated by the TRMM produced improvements in the flow evaluation coefficient (Nash-Sutcliffe NS, and correlation R coefficients), as there was an increase in the watershed drainage area until the Jacuí River watershed, with a decrease of the coefficients for the Alto Uruguai watershed, which was probably caused by the inadequacy of the WIPH2 concentrated model to the heterogeneous characteristics of the last watershed. In places with good rainfall monitoring coverage, the satellite estimates produced lower results than those generated by information measured by rain gauges. In places where the lack of equipment is accentuated and/or their distribution is non-uniform, the use of satellite estimates proved to be more reliable, reaching clearly superior results. In this sense, it was concluded that the TRMM satellite estimates may present as good alternatives to watersheds with scarce rainfall information measures on the ground, having great chances to show better results when compared to information of rain gauges scarce and poorly distributed. / Nos modelos hidrológicos chuva-vazão, a precipitação é uma das principais variáveis analisadas antes de ser utilizada como informação de entrada. Entretanto, suas características peculiares de ocorrência a tornam de mensuração desafiadora, principalmente para países em desenvolvimento, já que requer redes de monitoramento com elevadas resoluções espaciais e temporais. Para contornar tais problemas, o uso do sensoriamento remoto para estimar precipitações está sendo aos poucos difundido, com resultados considerados de boa confiabilidade. Neste sentido, objetivou-se avaliar os resultados gerados por uma modelagem chuva-vazão, utilizando-se de informações de precipitação estimadas pelo satélite TRMM, aplicada a quatro bacias hidrográficas de diferentes escalas. Para isso foi utilizado o modelo concentrado IPH II, na versão para Windows® (WIN_IPH2 versão 2, denominado neste trabalho como WIPH2). Em uma primeira análise, realizada para as bacias hidrográficas dos rios Turvo (1.540 km2), Ijuí (9.450 km2), Jacuí (38.700 km2) e Alto Uruguai (61.900 km2), localizadas na região sul do Brasil, observou-se que as estimativas de precipitação fornecidas pelo satélite TRMM geraram chuvas médias espacializadas consistentes em relação às geradas pelas redes de pluviômetros, apresentando erros de volume na ordem de 7,5% (bacia do Rio Ijuí) a 15% (bacias dos rios Turvo, Jacuí e Alto Uruguai). Em geral, as chuvas médias diárias, geradas pelas estimativas do TRMM, aumentaram suas correlações com as informações de pluviômetros, conforme houve um aumento da área de drenagem da bacia hidrográfica. Na modelagem, notou-se que o WIPH2 mostrou bom ajuste para a simulação das vazões nas bacias selecionadas, com ressalvas à aplicação na bacia do Alto Uruguai. Em alguns casos, mesmo que a precipitação média estimada pelo TRMM possuísse maior incerteza com relação aos dados gerados pelas diferentes redes de pluviômetros, o modelo conseguiu compensar a deficiência desta informação, por meio da alteração de parâmetros, dentro de limites considerados aceitáveis para as características das bacias hidrográficas. Verificou-se que, em geral, as precipitações estimadas pelo TRMM produziram melhoras no coeficiente de avaliação das vazões (coeficientes de Nash-Sutcliffe NS, e de correlação - R), à medida em que houve um aumento da área de drenagem da bacia hidrográfica até a bacia do Rio Jacuí, com decréscimo dos coeficientes para a bacia do Alto Uruguai, que provavelmente foi causado pela falta de adequação do modelo concentrado WIPH2 às características heterogêneas da última bacia. Em locais com boa cobertura de monitoramento pluviométrico, as estimativas de satélite produziram resultados inferiores aqueles gerados por informações mensuradas em solo; já em locais onde a escassez de equipamentos é acentuada e/ou sua distribuição é não-uniforme, a utilização de estimativas de satélite se mostrou mais confiável, chegando a resultados visivelmente superiores. Neste sentido, concluiu-se que as estimativas do satélite TRMM podem se apresentar como boas alternativas para bacias com escassez de informações de precipitação medidas em solo, tendo grandes chances de apresentarem melhores resultados quando comparadas com informações pontuais escassas e mal distribuídas.

Este trabalho teve por objetivo principal estabelecer e comparar diferentes cenários de ocupação urbana e seus efeitos no ciclo hidrológico. Buscou-se avaliar os riscos de enchentes à jusante, causados pelo crescimento urbano e aumento das áreas de impermeabilização que ocorrerão com a implantação do novo campus da USP – São Carlos – SP e a conseqüente ocupação da bacia devido à especulação imobiliária. Dessa forma, a bacia do córrego do Alto Mineirinho foi dividida em sub-bacias, utilizando a abordagem de bacias embutidas. Foram estudados 4 cenários de ocupação urbana: cenário pré-urbanização (1972); cenário atual (2000), cenário 2025 com plano diretor (CPD) que inclui recuperação ambiental; e cenário 2025 sem plano diretor (SPD). Foram necessárias aerofotografias para demarcação do uso e ocupação do solo. Além disso, esse trabalho iniciou o monitoramento experimental de parâmetros hidrológicos e ambientais. Para avaliação e comparação dos diferentes cenários realizaram-se simulações hidrológicas com uso do modelo hidrológico IPH II. Com as análises hidrológicas foi possível verificar que a bacia, com apenas 18,6 % de urbanização (2000), apresenta qualidade hídrica inferior à recomendada para os corpos d’água classe 2 (CONAMA 357/05). Em relação às simulações hidrológicas, pôde-se observar que no cenário 2025 SPD, a vazão máxima cresceu 388,0 % quando comparada ao cenário 1972 e 319,4 % quando comparada ao cenário 2000. Entre os cenários 2025 CPD e 2025 SPD há diminuição de 22,3 % na vazão máxima e o aumento no tempo de pico é de 50 minutos. Porém, os riscos de enchente, analisados pelo método de curvas de permanência, mostraram-se que mesmo com aplicação de diretrizes do PD os riscos de inundações continuam altos, o que indica a necessidade de integrar medidas estruturais e medidas não-estruturais para amenizar os efeitos de enchentes à jusante / This work aims to establish and to compare different scenarios of urban occupation and its hydrologic effects. It evaluates downstream flood risks caused from upstream urban growth increased due to impervious areas and housing speculation surrounding the implantation of the new campus of University of Sao Paulo in Sao Carlos city, SP. The Mineirinho river basin was studied through nested sub-basin approach. Four scenarios of urban occupation have been depicted: pre-urbanization (year 1972), current situation (year 2000), prospective scenario with master plan (until year 2025; CPD), and expected situation without master plan (until year 2025; SPD). Aerial photos were used to help on the evolution of land occupation between past and current situation. The comparison of different scenarios was outlined with use of hydrologic model IPH II. Moreover, this work set the monitoring and record of hydrologic time series. Through experimental analyses it was verified that with 18,6 % of urban areas the water quality of sub-basins decreased significantly. Hydrologic modeling simulations showed that maximum streamflow discharges of scenario 2025 SPD would rise up to 388,0 % higher than scenario 1972 and 319,4 % higher than scenario 2000 respectively. Maximum stream discharges and peak timing of scenario with master plan of year 2025 (CPD) would have respectively a reduction of 22,3 % and a increase of 50 minutes in comparison to scenario without master plan of year 2025 (SPD). Permanency curves revealed with the application of master plan guidelines flood risks however continue high, thereby pointing the needs of integrate structural and non-structural measures to cope with floods downstream

Este trabalho teve por objetivo principal estabelecer e comparar diferentes cenários de ocupação urbana e seus efeitos no ciclo hidrológico. Buscou-se avaliar os riscos de enchentes à jusante, causados pelo crescimento urbano e aumento das áreas de impermeabilização que ocorrerão com a implantação do novo campus da USP – São Carlos – SP e a conseqüente ocupação da bacia devido à especulação imobiliária. Dessa forma, a bacia do córrego do Alto Mineirinho foi dividida em sub-bacias, utilizando a abordagem de bacias embutidas. Foram estudados 4 cenários de ocupação urbana: cenário pré-urbanização (1972); cenário atual (2000), cenário 2025 com plano diretor (CPD) que inclui recuperação ambiental; e cenário 2025 sem plano diretor (SPD). Foram necessárias aerofotografias para demarcação do uso e ocupação do solo. Além disso, esse trabalho iniciou o monitoramento experimental de parâmetros hidrológicos e ambientais. Para avaliação e comparação dos diferentes cenários realizaram-se simulações hidrológicas com uso do modelo hidrológico IPH II. Com as análises hidrológicas foi possível verificar que a bacia, com apenas 18,6 % de urbanização (2000), apresenta qualidade hídrica inferior à recomendada para os corpos d’água classe 2 (CONAMA 357/05). Em relação às simulações hidrológicas, pôde-se observar que no cenário 2025 SPD, a vazão máxima cresceu 388,0 % quando comparada ao cenário 1972 e 319,4 % quando comparada ao cenário 2000. Entre os cenários 2025 CPD e 2025 SPD há diminuição de 22,3 % na vazão máxima e o aumento no tempo de pico é de 50 minutos. Porém, os riscos de enchente, analisados pelo método de curvas de permanência, mostraram-se que mesmo com aplicação de diretrizes do PD os riscos de inundações continuam altos, o que indica a necessidade de integrar medidas estruturais e medidas não-estruturais para amenizar os efeitos de enchentes à jusante / This work aims to establish and to compare different scenarios of urban occupation and its hydrologic effects. It evaluates downstream flood risks caused from upstream urban growth increased due to impervious areas and housing speculation surrounding the implantation of the new campus of University of Sao Paulo in Sao Carlos city, SP. The Mineirinho river basin was studied through nested sub-basin approach. Four scenarios of urban occupation have been depicted: pre-urbanization (year 1972), current situation (year 2000), prospective scenario with master plan (until year 2025; CPD), and expected situation without master plan (until year 2025; SPD). Aerial photos were used to help on the evolution of land occupation between past and current situation. The comparison of different scenarios was outlined with use of hydrologic model IPH II. Moreover, this work set the monitoring and record of hydrologic time series. Through experimental analyses it was verified that with 18,6 % of urban areas the water quality of sub-basins decreased significantly. Hydrologic modeling simulations showed that maximum streamflow discharges of scenario 2025 SPD would rise up to 388,0 % higher than scenario 1972 and 319,4 % higher than scenario 2000 respectively. Maximum stream discharges and peak timing of scenario with master plan of year 2025 (CPD) would have respectively a reduction of 22,3 % and a increase of 50 minutes in comparison to scenario without master plan of year 2025 (SPD). Permanency curves revealed with the application of master plan guidelines flood risks however continue high, thereby pointing the needs of integrate structural and non-structural measures to cope with floods downstream

A variação do tempo de residência e o fluxo contínuo de água da bacia hidrográfica em direção à barragem fazem dos reservatórios um sistema de transição entre rios e lagos com características físicas, químicas e biológicas particulares que influenciam a sua hidrodinâmica e o seu metabolismo. O estudo do metabolismo em ecossistemas aquáticos subtropicais, particularmente em reservatórios, e sua relação com a bacia hidrográfica tem sido pouco explorado nos trabalhos que utilizam a modelagem matemática como ferramenta de análise. O presente estudo teve como objetivo quantificar e analisar a variabilidade temporal do metabolismo em um reservatório subtropical de altitude localizado na cidade de Caxias do Sul/RS e sua relação com as contribuições da bacia hidrográfica em termos de vazão e nutrientes. Para tanto, foi aplicado o modelo ecológico baseado em processos IPH-ECO, em conjunto com o modelo hidrológico IPH-II. Após o ajuste dos níveis e a calibração do módulo de qualidade de água do IPH-ECO, foi determinada a variabilidade temporal das taxas metabólicas de produção primária (GPP) e respiração (R) no período de nov/2011 a dez/2012, que, comparado a outros períodos, foi marcado por uma estiagem anormal e um consequente aumento do tempo de residência do reservatório. Foi analisado o comportamento temporal das seguintes variáveis: nível d’água, temperatura, oxigênio dissolvido, clorofila-a, nutrientes, GPP e R, juntamente com as condições de contorno do modelo como as características hidrológicas e de uso e ocupação do solo da bacia hidrográfica. O reservatório apresentou um metabolismo autotrófico 97% do período de simulação, tornando-se heterotrófico em alguns dias da primavera, quando ocorreu uma diminuição da concentração de clorofila-a e fósforo total e uma intensificação do processo de nitrificação. As variações temporais das taxas GPP e R acompanharam o crescimento do fitoplâncton, que esteve mais associado ao padrão de estratificação e ao tempo de residência do reservatório. Nos meses com chuva, o aumento do escoamento superficial da bacia hidrográfica provocou um maior aporte de fósforo no reservatório contribuindo para o aumento do fitoplâncton e, consequentemente, das taxas de GPP e R. A biomassa fitoplanctônica foi o principal fator responsável pelo estabelecimento do metabolismo autotrófico no reservatório o qual respondeu mais em relação à dinâmica interna do sistema que à bacia hidrográfica. / Variation of residence time and continuous water inputs make reservoirs a transition aquatic system between lakes and rivers with physical, chemical and biological features that affect its hydrodynamics and metabolism. The study of aquatic metabolism in subtropical ecosystems, particularly in reservoirs, and its relation with the watershed has been poorly explored in researches that use mathematical models as a tool for analyzing this relation. This study aimed to quantify and analyse the temporal variability of metabolism in an altitude subtropical reservoir located in the city of Caxias do Sul/RS together with biotic and abiotic variables components of the reservoir, considering its relation with the physical features of the watershed. For this purpose, the process-based ecological model IPH-ECO was applied in the reservoir in combination with the hydrological model IPH-II. After the fit of simulated water levels to observation data and the calibration of IPH-ECO water quality module, the temporal variability of primary production (GPP) and respiration (R) was obtained in the period from nov/2011 to dez/2012, when, compared to other time periods, an unusual dry period occurred followed by an increase of reservoir residence time. The temporal pattern of the following variables was analysed: water levels, temperature, dissolved oxygen, chlorophyll-A, nutrients, GPP and R, along with the model boundary conditions, such as watershed land use and hydrology. The reservoir was net autotrophic during 97% of the simulation time period, becoming net heterotrophic for a few days in the spring due to the decreasing of chlorophyll-a and total phosphorus concentration and the strengthening of nitrification process in the reservoir. Temporal variations of GPP and R followed the phytoplankton growth which in turn had been driven by the stratification pattern and the residence time of reservoir. A watershed “fast-flush” was observed during storm events with higher rates of leaching of phosphorus, leading to an increase of chlorophyll-a concentration and thus GPP and R in the reservoir. It could be inferred that, during the simulation time period, the phytoplankton biomass in the reservoir was the main factor in maintaining the autotrophic metabolism which in most of the time was more affected by the internal dynamic of the system than by the physical aspects of watershed.

A variação do tempo de residência e o fluxo contínuo de água da bacia hidrográfica em direção à barragem fazem dos reservatórios um sistema de transição entre rios e lagos com características físicas, químicas e biológicas particulares que influenciam a sua hidrodinâmica e o seu metabolismo. O estudo do metabolismo em ecossistemas aquáticos subtropicais, particularmente em reservatórios, e sua relação com a bacia hidrográfica tem sido pouco explorado nos trabalhos que utilizam a modelagem matemática como ferramenta de análise. O presente estudo teve como objetivo quantificar e analisar a variabilidade temporal do metabolismo em um reservatório subtropical de altitude localizado na cidade de Caxias do Sul/RS e sua relação com as contribuições da bacia hidrográfica em termos de vazão e nutrientes. Para tanto, foi aplicado o modelo ecológico baseado em processos IPH-ECO, em conjunto com o modelo hidrológico IPH-II. Após o ajuste dos níveis e a calibração do módulo de qualidade de água do IPH-ECO, foi determinada a variabilidade temporal das taxas metabólicas de produção primária (GPP) e respiração (R) no período de nov/2011 a dez/2012, que, comparado a outros períodos, foi marcado por uma estiagem anormal e um consequente aumento do tempo de residência do reservatório. Foi analisado o comportamento temporal das seguintes variáveis: nível d’água, temperatura, oxigênio dissolvido, clorofila-a, nutrientes, GPP e R, juntamente com as condições de contorno do modelo como as características hidrológicas e de uso e ocupação do solo da bacia hidrográfica. O reservatório apresentou um metabolismo autotrófico 97% do período de simulação, tornando-se heterotrófico em alguns dias da primavera, quando ocorreu uma diminuição da concentração de clorofila-a e fósforo total e uma intensificação do processo de nitrificação. As variações temporais das taxas GPP e R acompanharam o crescimento do fitoplâncton, que esteve mais associado ao padrão de estratificação e ao tempo de residência do reservatório. Nos meses com chuva, o aumento do escoamento superficial da bacia hidrográfica provocou um maior aporte de fósforo no reservatório contribuindo para o aumento do fitoplâncton e, consequentemente, das taxas de GPP e R. A biomassa fitoplanctônica foi o principal fator responsável pelo estabelecimento do metabolismo autotrófico no reservatório o qual respondeu mais em relação à dinâmica interna do sistema que à bacia hidrográfica. / Variation of residence time and continuous water inputs make reservoirs a transition aquatic system between lakes and rivers with physical, chemical and biological features that affect its hydrodynamics and metabolism. The study of aquatic metabolism in subtropical ecosystems, particularly in reservoirs, and its relation with the watershed has been poorly explored in researches that use mathematical models as a tool for analyzing this relation. This study aimed to quantify and analyse the temporal variability of metabolism in an altitude subtropical reservoir located in the city of Caxias do Sul/RS together with biotic and abiotic variables components of the reservoir, considering its relation with the physical features of the watershed. For this purpose, the process-based ecological model IPH-ECO was applied in the reservoir in combination with the hydrological model IPH-II. After the fit of simulated water levels to observation data and the calibration of IPH-ECO water quality module, the temporal variability of primary production (GPP) and respiration (R) was obtained in the period from nov/2011 to dez/2012, when, compared to other time periods, an unusual dry period occurred followed by an increase of reservoir residence time. The temporal pattern of the following variables was analysed: water levels, temperature, dissolved oxygen, chlorophyll-A, nutrients, GPP and R, along with the model boundary conditions, such as watershed land use and hydrology. The reservoir was net autotrophic during 97% of the simulation time period, becoming net heterotrophic for a few days in the spring due to the decreasing of chlorophyll-a and total phosphorus concentration and the strengthening of nitrification process in the reservoir. Temporal variations of GPP and R followed the phytoplankton growth which in turn had been driven by the stratification pattern and the residence time of reservoir. A watershed “fast-flush” was observed during storm events with higher rates of leaching of phosphorus, leading to an increase of chlorophyll-a concentration and thus GPP and R in the reservoir. It could be inferred that, during the simulation time period, the phytoplankton biomass in the reservoir was the main factor in maintaining the autotrophic metabolism which in most of the time was more affected by the internal dynamic of the system than by the physical aspects of watershed.

A variação do tempo de residência e o fluxo contínuo de água da bacia hidrográfica em direção à barragem fazem dos reservatórios um sistema de transição entre rios e lagos com características físicas, químicas e biológicas particulares que influenciam a sua hidrodinâmica e o seu metabolismo. O estudo do metabolismo em ecossistemas aquáticos subtropicais, particularmente em reservatórios, e sua relação com a bacia hidrográfica tem sido pouco explorado nos trabalhos que utilizam a modelagem matemática como ferramenta de análise. O presente estudo teve como objetivo quantificar e analisar a variabilidade temporal do metabolismo em um reservatório subtropical de altitude localizado na cidade de Caxias do Sul/RS e sua relação com as contribuições da bacia hidrográfica em termos de vazão e nutrientes. Para tanto, foi aplicado o modelo ecológico baseado em processos IPH-ECO, em conjunto com o modelo hidrológico IPH-II. Após o ajuste dos níveis e a calibração do módulo de qualidade de água do IPH-ECO, foi determinada a variabilidade temporal das taxas metabólicas de produção primária (GPP) e respiração (R) no período de nov/2011 a dez/2012, que, comparado a outros períodos, foi marcado por uma estiagem anormal e um consequente aumento do tempo de residência do reservatório. Foi analisado o comportamento temporal das seguintes variáveis: nível d’água, temperatura, oxigênio dissolvido, clorofila-a, nutrientes, GPP e R, juntamente com as condições de contorno do modelo como as características hidrológicas e de uso e ocupação do solo da bacia hidrográfica. O reservatório apresentou um metabolismo autotrófico 97% do período de simulação, tornando-se heterotrófico em alguns dias da primavera, quando ocorreu uma diminuição da concentração de clorofila-a e fósforo total e uma intensificação do processo de nitrificação. As variações temporais das taxas GPP e R acompanharam o crescimento do fitoplâncton, que esteve mais associado ao padrão de estratificação e ao tempo de residência do reservatório. Nos meses com chuva, o aumento do escoamento superficial da bacia hidrográfica provocou um maior aporte de fósforo no reservatório contribuindo para o aumento do fitoplâncton e, consequentemente, das taxas de GPP e R. A biomassa fitoplanctônica foi o principal fator responsável pelo estabelecimento do metabolismo autotrófico no reservatório o qual respondeu mais em relação à dinâmica interna do sistema que à bacia hidrográfica. / Variation of residence time and continuous water inputs make reservoirs a transition aquatic system between lakes and rivers with physical, chemical and biological features that affect its hydrodynamics and metabolism. The study of aquatic metabolism in subtropical ecosystems, particularly in reservoirs, and its relation with the watershed has been poorly explored in researches that use mathematical models as a tool for analyzing this relation. This study aimed to quantify and analyse the temporal variability of metabolism in an altitude subtropical reservoir located in the city of Caxias do Sul/RS together with biotic and abiotic variables components of the reservoir, considering its relation with the physical features of the watershed. For this purpose, the process-based ecological model IPH-ECO was applied in the reservoir in combination with the hydrological model IPH-II. After the fit of simulated water levels to observation data and the calibration of IPH-ECO water quality module, the temporal variability of primary production (GPP) and respiration (R) was obtained in the period from nov/2011 to dez/2012, when, compared to other time periods, an unusual dry period occurred followed by an increase of reservoir residence time. The temporal pattern of the following variables was analysed: water levels, temperature, dissolved oxygen, chlorophyll-A, nutrients, GPP and R, along with the model boundary conditions, such as watershed land use and hydrology. The reservoir was net autotrophic during 97% of the simulation time period, becoming net heterotrophic for a few days in the spring due to the decreasing of chlorophyll-a and total phosphorus concentration and the strengthening of nitrification process in the reservoir. Temporal variations of GPP and R followed the phytoplankton growth which in turn had been driven by the stratification pattern and the residence time of reservoir. A watershed “fast-flush” was observed during storm events with higher rates of leaching of phosphorus, leading to an increase of chlorophyll-a concentration and thus GPP and R in the reservoir. It could be inferred that, during the simulation time period, the phytoplankton biomass in the reservoir was the main factor in maintaining the autotrophic metabolism which in most of the time was more affected by the internal dynamic of the system than by the physical aspects of watershed.