Submitted by Inácio de Oliveira Lima Neto (inacio.neto@inpa.gov.br) on 2018-10-05T14:50:19Z No. of bitstreams: 2 conchy_taina.pdf: 3315660 bytes, checksum: 2855484baf777bb22ecff63d4f27cf9e (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2018-10-05T14:50:19Z (GMT). No. of bitstreams: 2 conchy_taina.pdf: 3315660 bytes, checksum: 2855484baf777bb22ecff63d4f27cf9e (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2018-06-25 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The Janauacá floodplain, located in the central Amazon region (Brazil, AM) and on the left bank of the Solimões river, is a representative system of flood plains in the Amazon region. In the present study, based on in situ data and remote sensing data, it was sought to analyze the temporal dynamics of land use (1972-2016) and its impact on the hydrology of the basin. For this, 5 maps of land use were generated. In sequence, these 5 maps and 2 additional (representing deforested and forested areas) were used as input of a hydrological model (LUMP - FP) that generated 7 simulations (from September 2006 to December 2015) where the same meteorological conditions were maintained. The 5 maps of land use showed high overall accuracy (Kappa index> 0,8). The temporal analysis of the use of the soil emphasized a decrease of the areas of solid forest for an increase of the anthropic classes (pasture and swidden) and of altered vegetation (secondary vegetation). With regard to hydrological modeling, after validation in terms of water level and discharge (NSE> 0,95 for both), the model LUMP - FP was judged as capable of modeling the lake. The analysis of the impact of soil use on hydrology was carried out using three hydrological indicators. The estimates of run-off and rainfall ratios ranged from 0.48 to 0.56, and the estimates of evaporation ranged from 0,348 to 0,350 km³.year-. The model emphasized that these two parameters appeared to be sensitive to seasonality, but there is no significant difference when coverage is changed. However, it has been noted that deforestation leads to a slight decline in the ratio of run-off to rainfall. Refining the analysis, through a temporal analysis of these contributions, it was observed that: i) land changes affected the water balance more strongly in the dry years (and little in the flood years) and during the first part of the hydrological cycle (November to July); ii) changes in land use affected mainly the segment of run-off and river water contributions, and in the dry season, the water table actively contributes to the closure of the hydrological balance. / A várzea de Janauacá está localizada na região central da Amazônia (Brasil, AM), na margem esquerda do rio Solimões, e é um sistema representativo das planícies de inundação da região amazônica. No presente estudo, buscou-se, com base em dados in situ e dados de sensoriamento remoto, analisar a dinâmica temporal do uso do solo (1972-2016) e o impacto deste sobre a hidrologia da bacia. Para isso, foram gerados 5 mapas de uso do solo. Em sequência, estes 5 mapas e dois adicionais (representando desflorestado e florestado) foram usados como input de um modelo hidrológico (LUMP – FP) que gerou 7 simulações (de setembro de 2006 a dezembro de 2015), com as mesmas condições meteorológicas. Os 5 mapas de uso do solo mostraram alta acurácia global (índice Kappa>0,8). A análise temporal do uso do solo realçou uma diminuição das áreas de floresta firme para um incremento das classes antrópicas (pasto e roça) e de vegetação alterada (vegetação secundária). A respeito da modelagem hidrológica, após a validação em termos de nível de água e de descarga (NSE>0,95 para ambos), o modelo LUMP – FP foi julgado como apto a modelar o lago. A análise do impacto do uso do solo sobre a hidrologia foi realizada a partir de três indicadores hidrológicos. As estimativas da razão entre escoamento e chuva oscilaram entre 0,48 e 0,56 e as estimativas da evaporação oscilaram entre 0,348 e 0,350 km³ano-1. O modelo realçou que estes dois parâmetros pareceram sensíveis à sazonalidade, porém sem diferença significativa quando a cobertura é trocada. Todavia, notou-se que o desmatamento conduz a um leve declínio da razão entre o escoamento e a chuva. Refinando a análise, através de uma verificação temporal destas contribuições, foi observado que: i) as mudanças de terra afetaram fortemente o balanço hídrico nos anos secos (e pouco nos anos de cheia) e durante a primeira parte do ciclo hidrológico (novembro a julho); ii) as mudanças de uso da terra afetaram principalmente a parte das contribuições do escoamento e da água advinda do rio, e nas secas, o lençol freático contribui ativamente no fechamento do balanço hidrológico.

Grandes áreas inundáveis prestam importantes serviços ambientais, como manutenção da biodiversidade e regulação de clima, cheias e ciclos biogeoquímicos, e estão presentes nas mais variadas regiões geográficas, desde úmidas áreas tropicais como a Amazônia, até locais áridos como os grandes deltas internos da África. Complexos processos hidrológicos e hidrodinâmicos ocorrem nestas áreas, onde existe intensa interação entre áreas inundadas, biosfera e atmosfera, e onde ocorrem alterações significativas das ondas de cheia que são por elas propagadas sazonalmente. Neste contexto, o presente trabalho apresenta, através de dois métodos distintos, formas com que podemos aprofundar nosso conhecimento da dinâmica destas grandes áreas inundáveis. Inicialmente, é abordado o efeito causado pela interação rio-planície de inundação na forma dos hidrogramas. Constatou-se, através de observação de diversos hidrogramas defluentes de grandes sistemas inundáveis, que a ascensão destes é tipicamente mais lenta que a recessão, caracterizando uma assimetria negativa. Então, a partir de uma série de abordagens numéricas, analíticas e empíricas, mostrou-se que a este fenômeno é decorrente da inversa relação entre velocidade da onda de cheia (celeridade) e vazão que ocorre nestes ambientes devido ao armazenamento nas planícies. Um estudo de caso com os principais rios da Amazônica evidenciou a relevância da avaliação de assimetria de hidrogramas para compreensão da dinâmica hidrológica em regiões inundáveis. A segunda etapa deste trabalho consistiu no aprimoramento e validação de um modelo acoplado hidrológico-hidrodinâmico distribuído para simulação de bacias com grandes áreas inundáveis, capaz de modelar matematicamente a dinâmica existente e a aumentar nossa capacidade preditiva da inundação destas regiões. Foi realizada uma aplicação na bacia do Alto Rio Níger, no Oeste da África, onde está localizado o Delta Interno do Níger, uma vasta planície no Deserto do Sahel inundada sazonalmente, e onde importantes perdas por evaporação ocorrem. O modelo desenvolvido representou de forma satisfatória vazões, níveis e áreas inundadas ao longo da região, permitindo a identificação de processos relevantes na inundação do Delta. O acoplamento entre uma representação explícita da hidrodinâmica dos canais da planície (armazenamento, bifurcações, remanso) e o balanço vertical hidrológico (infiltração de água da planície para o solo e evapotranspiração) mostrou-se necessário para o satisfatório resultado do modelo. Assim, com esta pesquisa, acredita-se que novos elementos foram contribuídos para a compreensão da hidrologia de grandes áreas inundáveis, a partir da identificação do importante efeito da interação rio-planície na assimetria de hidrogramas, e do desenvolvimento de técnicas de modelagem matemática que evidenciaram a relevância da representação de interações entre hidrologia e hidrodinâmica em modelos de grandes escala. / Large floodable areas provide important environment services, such as biodiversity maintenance and regulation of climate, floods and biogeochemical cycles, and are present throughout different geographical settings, from tropical, wet areas like the Amazon, to arid ones such as the large African Inner deltas. Complex hydrologic and hydrodynamic processes occur in these areas, such as an intense interaction between flooded areas, biosphere and atmosphere, and alterations of flood waves that propagate through it. In this context, this study presents, through two distinct methods, ways with which we can deepen our understanding of the dynamics of such floodable areas. Firstly, the effect of river-floodplain interaction on hydrograph shape is addressed. It was noted, by observing a series of hydrographs routed through floodable systems, that hydrograph ascension is typically slower than the recession, characterizing a negative skewness. Then, through a series of numerical, analytical and empirical approaches, it was shown that this phenomenon exists due to the inverse relationship between flood wave speed (celerity) and discharge that occurs in these environments because of floodplain storage. A case study in main Amazon Basin tributaries was performed and indicated the relevance of hydrograph skewness evaluation for comprehension of hydrological dynamics in floodable areas. The study second step consisted in the development and validation of a distributed, coupled hydrologic-hydrodynamic model for simulation of basins with large floodable areas, able to mathematically model and to improve our prediction capacity of flooding in these areas. An application was performed in Upper Niger River, West Africa, where the Niger Inland Delta is located, which is a vast floodplain in the Sahel Desert that is seasonally flooded, and where important evaporation losses occur. The developed model satisfactorily represented discharges, levels and flooded areas across the basin, allowing the identification of relevant flooding processes in the Delta. The coupling between explicit representation of floodplain channel hydrodynamics (storage, bifurcations, backwater) and vertical hydrological balance (floodplain water infiltration into soil column, and evapotranspiration) proved a necessary model structure for the satisfactorily obtained results. Finally, with this research, we understand that new elements were contributed to the comprehension of hydrology of large floodable areas, from the identification of the river-floodplain interaction effects on hydrograph skewness to the development and application of mathematical modelling techniques, showing the relevance of the interaction between hydrology and hydrodynamic in such areas.

Grandes áreas inundáveis prestam importantes serviços ambientais, como manutenção da biodiversidade e regulação de clima, cheias e ciclos biogeoquímicos, e estão presentes nas mais variadas regiões geográficas, desde úmidas áreas tropicais como a Amazônia, até locais áridos como os grandes deltas internos da África. Complexos processos hidrológicos e hidrodinâmicos ocorrem nestas áreas, onde existe intensa interação entre áreas inundadas, biosfera e atmosfera, e onde ocorrem alterações significativas das ondas de cheia que são por elas propagadas sazonalmente. Neste contexto, o presente trabalho apresenta, através de dois métodos distintos, formas com que podemos aprofundar nosso conhecimento da dinâmica destas grandes áreas inundáveis. Inicialmente, é abordado o efeito causado pela interação rio-planície de inundação na forma dos hidrogramas. Constatou-se, através de observação de diversos hidrogramas defluentes de grandes sistemas inundáveis, que a ascensão destes é tipicamente mais lenta que a recessão, caracterizando uma assimetria negativa. Então, a partir de uma série de abordagens numéricas, analíticas e empíricas, mostrou-se que a este fenômeno é decorrente da inversa relação entre velocidade da onda de cheia (celeridade) e vazão que ocorre nestes ambientes devido ao armazenamento nas planícies. Um estudo de caso com os principais rios da Amazônica evidenciou a relevância da avaliação de assimetria de hidrogramas para compreensão da dinâmica hidrológica em regiões inundáveis. A segunda etapa deste trabalho consistiu no aprimoramento e validação de um modelo acoplado hidrológico-hidrodinâmico distribuído para simulação de bacias com grandes áreas inundáveis, capaz de modelar matematicamente a dinâmica existente e a aumentar nossa capacidade preditiva da inundação destas regiões. Foi realizada uma aplicação na bacia do Alto Rio Níger, no Oeste da África, onde está localizado o Delta Interno do Níger, uma vasta planície no Deserto do Sahel inundada sazonalmente, e onde importantes perdas por evaporação ocorrem. O modelo desenvolvido representou de forma satisfatória vazões, níveis e áreas inundadas ao longo da região, permitindo a identificação de processos relevantes na inundação do Delta. O acoplamento entre uma representação explícita da hidrodinâmica dos canais da planície (armazenamento, bifurcações, remanso) e o balanço vertical hidrológico (infiltração de água da planície para o solo e evapotranspiração) mostrou-se necessário para o satisfatório resultado do modelo. Assim, com esta pesquisa, acredita-se que novos elementos foram contribuídos para a compreensão da hidrologia de grandes áreas inundáveis, a partir da identificação do importante efeito da interação rio-planície na assimetria de hidrogramas, e do desenvolvimento de técnicas de modelagem matemática que evidenciaram a relevância da representação de interações entre hidrologia e hidrodinâmica em modelos de grandes escala. / Large floodable areas provide important environment services, such as biodiversity maintenance and regulation of climate, floods and biogeochemical cycles, and are present throughout different geographical settings, from tropical, wet areas like the Amazon, to arid ones such as the large African Inner deltas. Complex hydrologic and hydrodynamic processes occur in these areas, such as an intense interaction between flooded areas, biosphere and atmosphere, and alterations of flood waves that propagate through it. In this context, this study presents, through two distinct methods, ways with which we can deepen our understanding of the dynamics of such floodable areas. Firstly, the effect of river-floodplain interaction on hydrograph shape is addressed. It was noted, by observing a series of hydrographs routed through floodable systems, that hydrograph ascension is typically slower than the recession, characterizing a negative skewness. Then, through a series of numerical, analytical and empirical approaches, it was shown that this phenomenon exists due to the inverse relationship between flood wave speed (celerity) and discharge that occurs in these environments because of floodplain storage. A case study in main Amazon Basin tributaries was performed and indicated the relevance of hydrograph skewness evaluation for comprehension of hydrological dynamics in floodable areas. The study second step consisted in the development and validation of a distributed, coupled hydrologic-hydrodynamic model for simulation of basins with large floodable areas, able to mathematically model and to improve our prediction capacity of flooding in these areas. An application was performed in Upper Niger River, West Africa, where the Niger Inland Delta is located, which is a vast floodplain in the Sahel Desert that is seasonally flooded, and where important evaporation losses occur. The developed model satisfactorily represented discharges, levels and flooded areas across the basin, allowing the identification of relevant flooding processes in the Delta. The coupling between explicit representation of floodplain channel hydrodynamics (storage, bifurcations, backwater) and vertical hydrological balance (floodplain water infiltration into soil column, and evapotranspiration) proved a necessary model structure for the satisfactorily obtained results. Finally, with this research, we understand that new elements were contributed to the comprehension of hydrology of large floodable areas, from the identification of the river-floodplain interaction effects on hydrograph skewness to the development and application of mathematical modelling techniques, showing the relevance of the interaction between hydrology and hydrodynamic in such areas.

Grandes áreas inundáveis prestam importantes serviços ambientais, como manutenção da biodiversidade e regulação de clima, cheias e ciclos biogeoquímicos, e estão presentes nas mais variadas regiões geográficas, desde úmidas áreas tropicais como a Amazônia, até locais áridos como os grandes deltas internos da África. Complexos processos hidrológicos e hidrodinâmicos ocorrem nestas áreas, onde existe intensa interação entre áreas inundadas, biosfera e atmosfera, e onde ocorrem alterações significativas das ondas de cheia que são por elas propagadas sazonalmente. Neste contexto, o presente trabalho apresenta, através de dois métodos distintos, formas com que podemos aprofundar nosso conhecimento da dinâmica destas grandes áreas inundáveis. Inicialmente, é abordado o efeito causado pela interação rio-planície de inundação na forma dos hidrogramas. Constatou-se, através de observação de diversos hidrogramas defluentes de grandes sistemas inundáveis, que a ascensão destes é tipicamente mais lenta que a recessão, caracterizando uma assimetria negativa. Então, a partir de uma série de abordagens numéricas, analíticas e empíricas, mostrou-se que a este fenômeno é decorrente da inversa relação entre velocidade da onda de cheia (celeridade) e vazão que ocorre nestes ambientes devido ao armazenamento nas planícies. Um estudo de caso com os principais rios da Amazônica evidenciou a relevância da avaliação de assimetria de hidrogramas para compreensão da dinâmica hidrológica em regiões inundáveis. A segunda etapa deste trabalho consistiu no aprimoramento e validação de um modelo acoplado hidrológico-hidrodinâmico distribuído para simulação de bacias com grandes áreas inundáveis, capaz de modelar matematicamente a dinâmica existente e a aumentar nossa capacidade preditiva da inundação destas regiões. Foi realizada uma aplicação na bacia do Alto Rio Níger, no Oeste da África, onde está localizado o Delta Interno do Níger, uma vasta planície no Deserto do Sahel inundada sazonalmente, e onde importantes perdas por evaporação ocorrem. O modelo desenvolvido representou de forma satisfatória vazões, níveis e áreas inundadas ao longo da região, permitindo a identificação de processos relevantes na inundação do Delta. O acoplamento entre uma representação explícita da hidrodinâmica dos canais da planície (armazenamento, bifurcações, remanso) e o balanço vertical hidrológico (infiltração de água da planície para o solo e evapotranspiração) mostrou-se necessário para o satisfatório resultado do modelo. Assim, com esta pesquisa, acredita-se que novos elementos foram contribuídos para a compreensão da hidrologia de grandes áreas inundáveis, a partir da identificação do importante efeito da interação rio-planície na assimetria de hidrogramas, e do desenvolvimento de técnicas de modelagem matemática que evidenciaram a relevância da representação de interações entre hidrologia e hidrodinâmica em modelos de grandes escala. / Large floodable areas provide important environment services, such as biodiversity maintenance and regulation of climate, floods and biogeochemical cycles, and are present throughout different geographical settings, from tropical, wet areas like the Amazon, to arid ones such as the large African Inner deltas. Complex hydrologic and hydrodynamic processes occur in these areas, such as an intense interaction between flooded areas, biosphere and atmosphere, and alterations of flood waves that propagate through it. In this context, this study presents, through two distinct methods, ways with which we can deepen our understanding of the dynamics of such floodable areas. Firstly, the effect of river-floodplain interaction on hydrograph shape is addressed. It was noted, by observing a series of hydrographs routed through floodable systems, that hydrograph ascension is typically slower than the recession, characterizing a negative skewness. Then, through a series of numerical, analytical and empirical approaches, it was shown that this phenomenon exists due to the inverse relationship between flood wave speed (celerity) and discharge that occurs in these environments because of floodplain storage. A case study in main Amazon Basin tributaries was performed and indicated the relevance of hydrograph skewness evaluation for comprehension of hydrological dynamics in floodable areas. The study second step consisted in the development and validation of a distributed, coupled hydrologic-hydrodynamic model for simulation of basins with large floodable areas, able to mathematically model and to improve our prediction capacity of flooding in these areas. An application was performed in Upper Niger River, West Africa, where the Niger Inland Delta is located, which is a vast floodplain in the Sahel Desert that is seasonally flooded, and where important evaporation losses occur. The developed model satisfactorily represented discharges, levels and flooded areas across the basin, allowing the identification of relevant flooding processes in the Delta. The coupling between explicit representation of floodplain channel hydrodynamics (storage, bifurcations, backwater) and vertical hydrological balance (floodplain water infiltration into soil column, and evapotranspiration) proved a necessary model structure for the satisfactorily obtained results. Finally, with this research, we understand that new elements were contributed to the comprehension of hydrology of large floodable areas, from the identification of the river-floodplain interaction effects on hydrograph skewness to the development and application of mathematical modelling techniques, showing the relevance of the interaction between hydrology and hydrodynamic in such areas.

O tempo que a água fica retida nos rios e planícies de inundação afeta diretamente os processos biogeoquímicos e ecológicos relacionados com os ciclos hidrológicos. Apesar de existirem métodos simplificados e sofisticados para estimar o tempo de viagem e o tempo de residência, a análise de grandes sistemas hidrológicos (e.g. maior do que 104 km2) e de sua variabilidade no tempo e no espaço ainda é um desafio. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo numérico de rastreamento de águas, numa abordagem probabilística, capaz de fornecer informações associadas à origem, trajetória e dinâmica das escalas de tempo de renovação de água superficial, com enfoque em bacia hidrográficas. Experimentos numéricos foram utilizados para estudar a dinâmica do escoamento de água na bacia Amazônica, com ênfase nas interações e trocas de água entre rio e planícies de inundação. Devido à importância e magnitude dessa bacia, a presença de grandes áreas inundáveis (17% da bacia) e águas de características distintas associadas a sua origem (i.e. águas brancas, claras e negras), a bacia Amazônica configura um estudo de caso interessante para simulações baseadas em rastreamento. Os resultados demonstraram que a planície de inundação tem um efeito de armazenamento importante para a dinâmica da bacia. As simulações sugerem que: (i) o tempo de viagem da água no canal principal, em sua maioria, é menor do que 70 dias; (ii) cerca de 20% das águas da bacia passam pela planície de inundação; (iii) a vazão de troca entre rio e planície de inundação pode chegar a ordem de 105 m3/s, para a bacia inteira; (iv) se as planícies de inundação atuam como áreas de armazenamento durante a cheia, elas podem acarretar um aumento substancial no tempo de viagem das águas (i.e. maior do que 200 dias); (v) e, nesse caso, águas retidas na planície de inundação podem representar uma grande parcela do escoamento da bacia durante o período de águas baixas. Por fim, outros aspectos sobre a variabilidade espacial e temporal do tempo de viagem das águas superficiais e da composição da água, em relação a sua origem, foram estudados. / The time that water is retained in rivers and floodplains directly affects the biogeochemical and ecological processes associated to the hydrological cycles. Although there are both simplified and sophisticated methods to estimate travel time and residence time, the analysis of large hydrological systems (e.g. larger than 104 km2) and their variability in time and space is still a challenge. In this work, we developed a numerical model for water-packet tracking, with a probabilistic approach, capable to provide information associated to the origin, trajectory and dynamics of the surface water renewal time scales, focusing application to watersheds. Numerical experiments were used to study the dynamics of water flow in the Amazon basin, with emphasis on interaction and water exchanges between river and floodplains. Due to the importance and magnitude of this basin, the presence of large floodable areas (17% of the basin) and waters of distinct characteristics associated with its origin (e.g. white waters, clear waters and black waters), the Amazon basin constitutes an interesting case study for simulations Based on tracking. The results showed that the floodplain has an important storage effect for the dynamics of the basin. The simulations suggest that: (i) the travel time of the water in the main channel is less than 70 days; (ii) about 20% of the waters of the basin pass through the floodplain; (iii) the flow between river and floodplain can reach the order of 105 m3/s at basin scale; (iv) if the floodplains act as storage areas during the flooding period, they could increase substantially the travel time of the basin waters (i.e. larger than 200 days); (v) also, in this case, water retained in the floodplains could represent a large portion of the river discharges during the low water period. In addition, other aspects on the spatial and temporal variability of the travel time and composition of surface waters were also explored.

Além de conhecer o comportamento hidrológico atual de um sistema de rios e planícies, é importante poder prever seu comportamento futuro frente a possíveis impactos decorrentes de atividades antrópicas e face a cenários de variabilidade climática. A modelagem matemática constitui a ferramenta ideal para esse propósito. No caso de sistemas hidrológicos de grande escala, caso o interesse do estudo seja simular padrões espaçotemporais de inundação na planície, as metodologias tradicionais atualmente empregadas não são adequadas. Nesta Tese é apresentado um sistema computacional de simulação desenvolvido com esse propósito, o qual é composto pelo acoplamento de um modelo hidrodinâmico 1D (modelo IPH4), aplicado para simular o escoamento na calha principal dos rios, e um modelo 2D do tipo raster, para a simulação da inundação na planície. Esse modelo discretiza a planície em uma grade regular e simula o escoamento pela planície conforme a topografia e a diferença de níveis de água entre elementos da grade. Um módulo específico simula as trocas laterais canal e planície, conforme a diferença de nível de água, as quais podem acontecer ao longo de toda a extensão dos canais. Outro módulo realiza o balanço vertical entre precipitação e evapotranspiração na planície. Um conjunto de rotinas computacionais foi desenvolvido para agilizar a preparação dos dados de entrada de forma coerente e georreferenciada, principalmente quanto à conexão entre as discretizações do canal e da planície. Como estudo de caso, foram simulados 3965 km de canais de drenagem e 219.514 km2 de planícies (Pantanal) da Bacia do Alto Paraguai, por um período de 11 anos e 4 meses (set/1995 a dez/2006). A despeito da escassez de dados para caracterização física, os resultados obtidos foram satisfatórios, tanto em termos do regime de vazões e variação de nível d’água nos canais de drenagem quanto em termos de áreas inundadas e padrões espaçotermporais de inundações na planície. Nesse último aspecto, o sistema desenvolvido foi capaz de simular o pulso sazonal de inundação do Pantanal. Foram obtidos valores de área inundada coerentes com estimativas de outros autores e manchas de inundação que diferenciaram áreas permanentemente inundadas, devido ao extravasamento de água dos canais, daquelas áreas inundadas sazonalmente pela ocorrência de precipitação. Esse resultado evidenciou a necessidade da consideração dos processos hidrológicos verticais para a simulação das inundações sazonais. Estatísticas de desempenho obtidas pela comparação entre manchas de inundação simuladas e estimadas por satélite em outro estudo foram consideradas equivalentes às obtidas na literatura para estudos de planícies de menor escala e com maior disponibilidade de dados. / Besides understanding the current hydrologic behavior of a river and floodplain drainage system, it is important to be able to predict its future conditions in light of possible impacts due to anthropogenic activities and climate variability. Mathematical modeling is the ideal tool for this purpose. For large scale hydrologic systems, if the objective is to simulate spatiotemporal inundation patterns over floodplain, the traditional methodologies currently being used are not adequate. This Thesis presents a computational simulation system developed for this purpose, which is composed by coupling a 1D-hydrodynamic model (IPH4 model), to simulate flow routing along main channels, and a 2D-raster based model, to simulate floodplain inundation. This floodplain model discretizes the floodplain into a regular grid and simulates the flow over floodplain according with its topography and water level differences between grid elements. A specific module simulates lateral water exchanges between channel and floodplain according with water level differences, which may occur along the whole channel flowpath. Another module performs the vertical water balance between precipitation and evapotranspiration over floodplain. A set of computational routines was developed aimming at facilitating input data preparation in a coherent and georreferenced way, mainly focused on establishing connections between channel and floodplain discretizations. As study case, a total of 3965 km of main channels and of 219.514 km2 of floodplains (Pantanal) of the Upper Paraguay River Basin was simulated for a period of 11 years and 4 months (set/1995 to dez/2006). In spite of data scarcity regarding physical characteristics, the results obtained were satisfactory, in terms of flow regime and water level variation in main channels and also in terms of inundated areas and spatio-temporal inundation patterns over floodplain. Regarding this last issue, the developed system was able to simulate the Pantanal seasonal flood pulse. Calculated inundated areas were coherent with estimates from others authors, and in the inundation maps obtained it was possible to distinguish permanent flooded areas, due to main channel flow spilling, from areas seasonally inundated due to precipitation. This result showed the importance of taking into account the vertical hydrologic proccesses for simulating seazonal floodplain inundation. Performance measures obtained by comparing simulated floodplain maps with those from other study estimated using satellite images were considered similar to the reported values in literature, which in turn refer to modeling lower scale sites with larger data availability.

Além de conhecer o comportamento hidrológico atual de um sistema de rios e planícies, é importante poder prever seu comportamento futuro frente a possíveis impactos decorrentes de atividades antrópicas e face a cenários de variabilidade climática. A modelagem matemática constitui a ferramenta ideal para esse propósito. No caso de sistemas hidrológicos de grande escala, caso o interesse do estudo seja simular padrões espaçotemporais de inundação na planície, as metodologias tradicionais atualmente empregadas não são adequadas. Nesta Tese é apresentado um sistema computacional de simulação desenvolvido com esse propósito, o qual é composto pelo acoplamento de um modelo hidrodinâmico 1D (modelo IPH4), aplicado para simular o escoamento na calha principal dos rios, e um modelo 2D do tipo raster, para a simulação da inundação na planície. Esse modelo discretiza a planície em uma grade regular e simula o escoamento pela planície conforme a topografia e a diferença de níveis de água entre elementos da grade. Um módulo específico simula as trocas laterais canal e planície, conforme a diferença de nível de água, as quais podem acontecer ao longo de toda a extensão dos canais. Outro módulo realiza o balanço vertical entre precipitação e evapotranspiração na planície. Um conjunto de rotinas computacionais foi desenvolvido para agilizar a preparação dos dados de entrada de forma coerente e georreferenciada, principalmente quanto à conexão entre as discretizações do canal e da planície. Como estudo de caso, foram simulados 3965 km de canais de drenagem e 219.514 km2 de planícies (Pantanal) da Bacia do Alto Paraguai, por um período de 11 anos e 4 meses (set/1995 a dez/2006). A despeito da escassez de dados para caracterização física, os resultados obtidos foram satisfatórios, tanto em termos do regime de vazões e variação de nível d’água nos canais de drenagem quanto em termos de áreas inundadas e padrões espaçotermporais de inundações na planície. Nesse último aspecto, o sistema desenvolvido foi capaz de simular o pulso sazonal de inundação do Pantanal. Foram obtidos valores de área inundada coerentes com estimativas de outros autores e manchas de inundação que diferenciaram áreas permanentemente inundadas, devido ao extravasamento de água dos canais, daquelas áreas inundadas sazonalmente pela ocorrência de precipitação. Esse resultado evidenciou a necessidade da consideração dos processos hidrológicos verticais para a simulação das inundações sazonais. Estatísticas de desempenho obtidas pela comparação entre manchas de inundação simuladas e estimadas por satélite em outro estudo foram consideradas equivalentes às obtidas na literatura para estudos de planícies de menor escala e com maior disponibilidade de dados. / Besides understanding the current hydrologic behavior of a river and floodplain drainage system, it is important to be able to predict its future conditions in light of possible impacts due to anthropogenic activities and climate variability. Mathematical modeling is the ideal tool for this purpose. For large scale hydrologic systems, if the objective is to simulate spatiotemporal inundation patterns over floodplain, the traditional methodologies currently being used are not adequate. This Thesis presents a computational simulation system developed for this purpose, which is composed by coupling a 1D-hydrodynamic model (IPH4 model), to simulate flow routing along main channels, and a 2D-raster based model, to simulate floodplain inundation. This floodplain model discretizes the floodplain into a regular grid and simulates the flow over floodplain according with its topography and water level differences between grid elements. A specific module simulates lateral water exchanges between channel and floodplain according with water level differences, which may occur along the whole channel flowpath. Another module performs the vertical water balance between precipitation and evapotranspiration over floodplain. A set of computational routines was developed aimming at facilitating input data preparation in a coherent and georreferenced way, mainly focused on establishing connections between channel and floodplain discretizations. As study case, a total of 3965 km of main channels and of 219.514 km2 of floodplains (Pantanal) of the Upper Paraguay River Basin was simulated for a period of 11 years and 4 months (set/1995 to dez/2006). In spite of data scarcity regarding physical characteristics, the results obtained were satisfactory, in terms of flow regime and water level variation in main channels and also in terms of inundated areas and spatio-temporal inundation patterns over floodplain. Regarding this last issue, the developed system was able to simulate the Pantanal seasonal flood pulse. Calculated inundated areas were coherent with estimates from others authors, and in the inundation maps obtained it was possible to distinguish permanent flooded areas, due to main channel flow spilling, from areas seasonally inundated due to precipitation. This result showed the importance of taking into account the vertical hydrologic proccesses for simulating seazonal floodplain inundation. Performance measures obtained by comparing simulated floodplain maps with those from other study estimated using satellite images were considered similar to the reported values in literature, which in turn refer to modeling lower scale sites with larger data availability.

O tempo que a água fica retida nos rios e planícies de inundação afeta diretamente os processos biogeoquímicos e ecológicos relacionados com os ciclos hidrológicos. Apesar de existirem métodos simplificados e sofisticados para estimar o tempo de viagem e o tempo de residência, a análise de grandes sistemas hidrológicos (e.g. maior do que 104 km2) e de sua variabilidade no tempo e no espaço ainda é um desafio. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo numérico de rastreamento de águas, numa abordagem probabilística, capaz de fornecer informações associadas à origem, trajetória e dinâmica das escalas de tempo de renovação de água superficial, com enfoque em bacia hidrográficas. Experimentos numéricos foram utilizados para estudar a dinâmica do escoamento de água na bacia Amazônica, com ênfase nas interações e trocas de água entre rio e planícies de inundação. Devido à importância e magnitude dessa bacia, a presença de grandes áreas inundáveis (17% da bacia) e águas de características distintas associadas a sua origem (i.e. águas brancas, claras e negras), a bacia Amazônica configura um estudo de caso interessante para simulações baseadas em rastreamento. Os resultados demonstraram que a planície de inundação tem um efeito de armazenamento importante para a dinâmica da bacia. As simulações sugerem que: (i) o tempo de viagem da água no canal principal, em sua maioria, é menor do que 70 dias; (ii) cerca de 20% das águas da bacia passam pela planície de inundação; (iii) a vazão de troca entre rio e planície de inundação pode chegar a ordem de 105 m3/s, para a bacia inteira; (iv) se as planícies de inundação atuam como áreas de armazenamento durante a cheia, elas podem acarretar um aumento substancial no tempo de viagem das águas (i.e. maior do que 200 dias); (v) e, nesse caso, águas retidas na planície de inundação podem representar uma grande parcela do escoamento da bacia durante o período de águas baixas. Por fim, outros aspectos sobre a variabilidade espacial e temporal do tempo de viagem das águas superficiais e da composição da água, em relação a sua origem, foram estudados. / The time that water is retained in rivers and floodplains directly affects the biogeochemical and ecological processes associated to the hydrological cycles. Although there are both simplified and sophisticated methods to estimate travel time and residence time, the analysis of large hydrological systems (e.g. larger than 104 km2) and their variability in time and space is still a challenge. In this work, we developed a numerical model for water-packet tracking, with a probabilistic approach, capable to provide information associated to the origin, trajectory and dynamics of the surface water renewal time scales, focusing application to watersheds. Numerical experiments were used to study the dynamics of water flow in the Amazon basin, with emphasis on interaction and water exchanges between river and floodplains. Due to the importance and magnitude of this basin, the presence of large floodable areas (17% of the basin) and waters of distinct characteristics associated with its origin (e.g. white waters, clear waters and black waters), the Amazon basin constitutes an interesting case study for simulations Based on tracking. The results showed that the floodplain has an important storage effect for the dynamics of the basin. The simulations suggest that: (i) the travel time of the water in the main channel is less than 70 days; (ii) about 20% of the waters of the basin pass through the floodplain; (iii) the flow between river and floodplain can reach the order of 105 m3/s at basin scale; (iv) if the floodplains act as storage areas during the flooding period, they could increase substantially the travel time of the basin waters (i.e. larger than 200 days); (v) also, in this case, water retained in the floodplains could represent a large portion of the river discharges during the low water period. In addition, other aspects on the spatial and temporal variability of the travel time and composition of surface waters were also explored.

O tempo que a água fica retida nos rios e planícies de inundação afeta diretamente os processos biogeoquímicos e ecológicos relacionados com os ciclos hidrológicos. Apesar de existirem métodos simplificados e sofisticados para estimar o tempo de viagem e o tempo de residência, a análise de grandes sistemas hidrológicos (e.g. maior do que 104 km2) e de sua variabilidade no tempo e no espaço ainda é um desafio. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo numérico de rastreamento de águas, numa abordagem probabilística, capaz de fornecer informações associadas à origem, trajetória e dinâmica das escalas de tempo de renovação de água superficial, com enfoque em bacia hidrográficas. Experimentos numéricos foram utilizados para estudar a dinâmica do escoamento de água na bacia Amazônica, com ênfase nas interações e trocas de água entre rio e planícies de inundação. Devido à importância e magnitude dessa bacia, a presença de grandes áreas inundáveis (17% da bacia) e águas de características distintas associadas a sua origem (i.e. águas brancas, claras e negras), a bacia Amazônica configura um estudo de caso interessante para simulações baseadas em rastreamento. Os resultados demonstraram que a planície de inundação tem um efeito de armazenamento importante para a dinâmica da bacia. As simulações sugerem que: (i) o tempo de viagem da água no canal principal, em sua maioria, é menor do que 70 dias; (ii) cerca de 20% das águas da bacia passam pela planície de inundação; (iii) a vazão de troca entre rio e planície de inundação pode chegar a ordem de 105 m3/s, para a bacia inteira; (iv) se as planícies de inundação atuam como áreas de armazenamento durante a cheia, elas podem acarretar um aumento substancial no tempo de viagem das águas (i.e. maior do que 200 dias); (v) e, nesse caso, águas retidas na planície de inundação podem representar uma grande parcela do escoamento da bacia durante o período de águas baixas. Por fim, outros aspectos sobre a variabilidade espacial e temporal do tempo de viagem das águas superficiais e da composição da água, em relação a sua origem, foram estudados. / The time that water is retained in rivers and floodplains directly affects the biogeochemical and ecological processes associated to the hydrological cycles. Although there are both simplified and sophisticated methods to estimate travel time and residence time, the analysis of large hydrological systems (e.g. larger than 104 km2) and their variability in time and space is still a challenge. In this work, we developed a numerical model for water-packet tracking, with a probabilistic approach, capable to provide information associated to the origin, trajectory and dynamics of the surface water renewal time scales, focusing application to watersheds. Numerical experiments were used to study the dynamics of water flow in the Amazon basin, with emphasis on interaction and water exchanges between river and floodplains. Due to the importance and magnitude of this basin, the presence of large floodable areas (17% of the basin) and waters of distinct characteristics associated with its origin (e.g. white waters, clear waters and black waters), the Amazon basin constitutes an interesting case study for simulations Based on tracking. The results showed that the floodplain has an important storage effect for the dynamics of the basin. The simulations suggest that: (i) the travel time of the water in the main channel is less than 70 days; (ii) about 20% of the waters of the basin pass through the floodplain; (iii) the flow between river and floodplain can reach the order of 105 m3/s at basin scale; (iv) if the floodplains act as storage areas during the flooding period, they could increase substantially the travel time of the basin waters (i.e. larger than 200 days); (v) also, in this case, water retained in the floodplains could represent a large portion of the river discharges during the low water period. In addition, other aspects on the spatial and temporal variability of the travel time and composition of surface waters were also explored.

Além de conhecer o comportamento hidrológico atual de um sistema de rios e planícies, é importante poder prever seu comportamento futuro frente a possíveis impactos decorrentes de atividades antrópicas e face a cenários de variabilidade climática. A modelagem matemática constitui a ferramenta ideal para esse propósito. No caso de sistemas hidrológicos de grande escala, caso o interesse do estudo seja simular padrões espaçotemporais de inundação na planície, as metodologias tradicionais atualmente empregadas não são adequadas. Nesta Tese é apresentado um sistema computacional de simulação desenvolvido com esse propósito, o qual é composto pelo acoplamento de um modelo hidrodinâmico 1D (modelo IPH4), aplicado para simular o escoamento na calha principal dos rios, e um modelo 2D do tipo raster, para a simulação da inundação na planície. Esse modelo discretiza a planície em uma grade regular e simula o escoamento pela planície conforme a topografia e a diferença de níveis de água entre elementos da grade. Um módulo específico simula as trocas laterais canal e planície, conforme a diferença de nível de água, as quais podem acontecer ao longo de toda a extensão dos canais. Outro módulo realiza o balanço vertical entre precipitação e evapotranspiração na planície. Um conjunto de rotinas computacionais foi desenvolvido para agilizar a preparação dos dados de entrada de forma coerente e georreferenciada, principalmente quanto à conexão entre as discretizações do canal e da planície. Como estudo de caso, foram simulados 3965 km de canais de drenagem e 219.514 km2 de planícies (Pantanal) da Bacia do Alto Paraguai, por um período de 11 anos e 4 meses (set/1995 a dez/2006). A despeito da escassez de dados para caracterização física, os resultados obtidos foram satisfatórios, tanto em termos do regime de vazões e variação de nível d’água nos canais de drenagem quanto em termos de áreas inundadas e padrões espaçotermporais de inundações na planície. Nesse último aspecto, o sistema desenvolvido foi capaz de simular o pulso sazonal de inundação do Pantanal. Foram obtidos valores de área inundada coerentes com estimativas de outros autores e manchas de inundação que diferenciaram áreas permanentemente inundadas, devido ao extravasamento de água dos canais, daquelas áreas inundadas sazonalmente pela ocorrência de precipitação. Esse resultado evidenciou a necessidade da consideração dos processos hidrológicos verticais para a simulação das inundações sazonais. Estatísticas de desempenho obtidas pela comparação entre manchas de inundação simuladas e estimadas por satélite em outro estudo foram consideradas equivalentes às obtidas na literatura para estudos de planícies de menor escala e com maior disponibilidade de dados. / Besides understanding the current hydrologic behavior of a river and floodplain drainage system, it is important to be able to predict its future conditions in light of possible impacts due to anthropogenic activities and climate variability. Mathematical modeling is the ideal tool for this purpose. For large scale hydrologic systems, if the objective is to simulate spatiotemporal inundation patterns over floodplain, the traditional methodologies currently being used are not adequate. This Thesis presents a computational simulation system developed for this purpose, which is composed by coupling a 1D-hydrodynamic model (IPH4 model), to simulate flow routing along main channels, and a 2D-raster based model, to simulate floodplain inundation. This floodplain model discretizes the floodplain into a regular grid and simulates the flow over floodplain according with its topography and water level differences between grid elements. A specific module simulates lateral water exchanges between channel and floodplain according with water level differences, which may occur along the whole channel flowpath. Another module performs the vertical water balance between precipitation and evapotranspiration over floodplain. A set of computational routines was developed aimming at facilitating input data preparation in a coherent and georreferenced way, mainly focused on establishing connections between channel and floodplain discretizations. As study case, a total of 3965 km of main channels and of 219.514 km2 of floodplains (Pantanal) of the Upper Paraguay River Basin was simulated for a period of 11 years and 4 months (set/1995 to dez/2006). In spite of data scarcity regarding physical characteristics, the results obtained were satisfactory, in terms of flow regime and water level variation in main channels and also in terms of inundated areas and spatio-temporal inundation patterns over floodplain. Regarding this last issue, the developed system was able to simulate the Pantanal seasonal flood pulse. Calculated inundated areas were coherent with estimates from others authors, and in the inundation maps obtained it was possible to distinguish permanent flooded areas, due to main channel flow spilling, from areas seasonally inundated due to precipitation. This result showed the importance of taking into account the vertical hydrologic proccesses for simulating seazonal floodplain inundation. Performance measures obtained by comparing simulated floodplain maps with those from other study estimated using satellite images were considered similar to the reported values in literature, which in turn refer to modeling lower scale sites with larger data availability.