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.

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.