Esta Tese aborda a hidrodinâmica e a sedimentologia de fundo, subfundo e em suspensão no Guaíba utilizando sensores geoacústicos e orbitais. Foram realizados 26 campanhas para coletas de diferentes conjuntos de dados: sísmica de fundo e subfundo, amostras de fundo in situ, corrente e vazão com um perfilador acústico de correntes por Doppler (PADC), sedimento em suspensão in situ. Diferentes embarcações foram utilizadas, a depender da natureza do trabalho realizado. Os dados de sedimentos em suspensão serviram de entrada a dois modelos de regressão para estimar a concentração de sedimentos em suspensão (CSS), ambos feitos com dados do satélite Landsat 8, sensor OLI (Operational Land Imager), e do PACD. Os dados do PACD, além da regressão, serviram para fornecem informações sobre a corrente e vazão. Os dados sísmicos (perfilador sísmico Stratabox 10 kHz e Sonar de Varredura Lateral) serviram para um mapeamento sistemático dos padrões geoacústicos para reconhecimento dos processos hidrodinâmicos e sedimentares atuantes. Todos os conjuntos de dados indicam que a corrente do Guaíba tem predomínio de Norte para Sul. As formas de fundo como ripples e dunas subaquosas assimétricas, presentes nos registros sísmicos, confirmam esse predomínio e indicam um comportamento fluvial do sistema aquático. Essas formas de fundo foram mapeadas na entrada, exutório e em áreas do canal de navegação, nas seções longitudinais com menor extensão. Essa presença sugere diferentes tipos de ambientes que são influenciados basicamente pela seção longitudinal. Seções mais estreitas provocam as maiores velocidades das correntes e uma maior competência do sistema para o transporte de sedimentos. As áreas no interior do Guaíba, sob o ponto de vista das correntes, possuem menor competência de transporte e são, portanto, ambientes com menor energia hidrodinâmica comparadas com as áreas de entrada e saída desse sistema. Esse comportamento também foi observado nos perfis de corrente de PACD e nas plumas de sedimento dos mapas de CSS nas condições de maiores descargas líquidas. A ação de ventos e geração de ondas também é uma forçante presente nesse sistema. As áreas mais rasas, principalmente na margem oeste e sudoeste do Guaíba, apresentaram maiores concentrações em algumas datas com os mapas de CSS, resultado da resuspensão do sedimento pelas ondas. Essas áreas, sob o ponto de vista da influência das ondas, possuem alta energia hidrodinâmica e são ambientes de erosão. Dessa forma, o Guaíba está sujeito às forçantes vento/onda e descarga líquida de forma coexistente. O comportamento do sedimento é influenciado por esses dois fatores de forma simultânea ou apenas por uma forçante, a depender da descarga líquida dos rios tributários, da intensidade do vento e geração de ondas. Além disso, a profundidade, o tamanho e posição do sedimento também influenciam o comportamento do sedimento. Embora tenha forçantes distintas, a predominância do fluxo de Norte para Sul, com correntes atuando em toda a coluna d‘água sugere que o Guaíba possui declividade no canal, condição para definir um canal fluvial. Esses fatores são condições que permitem concluir que esse sistema possui predomínio de comportamento de rio. / This thesis approaches the hydrodynamics and sedimentology of the bottom, subbottom, and in suspension in the Guaíba using geoacoustic and orbital sensors. Twenty-six campaigns were carried out to sample different datasets: bottom and sub-bottom seismics, field bottom samples, currents and river discharge measured by an acoustic Doppler current profiler (ADCP), and field suspended sediment. Different vessels were used depending on the nature of the conducted work. The suspended sediment data served as input to the two regression models for estimating sediment suspension concentration (SSC), both made with data from the Landsat 8 satellite, OLI (Operational Land Imager), and PACD. The ADCP data in addition to the regression analysis provided information on currents and river discharge. Seismic data (acquired by a 10-kHz Stratabox seismic profiler and a Side-Scan Sonar) were used to systematically map the geoacoustic patterns in order to identify hydrodynamic and sedimentary processes. All datasets indicate that the Guaíba river current has a predominant north-to-south direction. The bottom forms such as ripples and asymmetrical subaquatic dunes present in seismic records confirmed this predominance and indicated a river behavior. These background ondulations were mapped at the upstream end, river mouth, and in the navigation channel areas in short longitudinal sections. The presence of subaqueous dunes correspond to different types of environments that are mainly influenced by the longitudinal section. Narrower sections lead to higher current velocities and a greater system competence for sediment transport. The interior areas from the Guaíba River showed less transportation competence when considering its currents. Therefore, these are environments with lower hydrodynamic energy when compared to the upstream end and river mouth areas. This behavior was also observed in the ADCP current profiles and in the sediment plumes from the SSC maps under higher net river discharges. Winds and the wave generation are also important forces present in this system. Mainly the shallower areas at the western and southwestern margins of the Guaíba River presented higher concentrations on the SSC maps on some dates, which were a result of the sediment resuspension driven by waves. These areas have high hydrodynamic energy and are erosional environments when considering the wave influence. Thus, the Guaíba River is simultaneously subjected to wind/wave forcing and net river discharge. The sediment behavior is concurrently influenced by these two forces or only by one depending on the net discharge from the tributary rivers, wind intensity, and generation of waves. Furthermore, the sediment depth and size also influence the sediment behavior. Although it has distinct forcing, the predominant north-to-south direction of the flow with currents reaching the entire water column suggests that the Guaíba system has a slope in the channel, a condition that defines a river channel. These factors are the requirements that allow to conclude that this system has a prevailing river behavior.

O adequado aproveitamento dos recursos hídricos está relacionado ao conhecimento dos regimes dos rios e suas sazonalidades, dos regimes pluviométricos e de uma série de informações do ciclo hidrológico, em diversas partes das bacias hidrográficas. A quantidade de material em suspensão transportado pelas águas dos rios é de grande importância, pois afeta diretamente as atividades antrópicas. Ainda é pequeno o número de estudos e monitoramentos locais e regionais consistentes sobre a concentração de sedimentos transportados pelos rios. No Brasil, as medições de vazão sólida em rios são muito escassas, provavelmente, devido aos custos elevados e dificuldades operacionais relativas às metodologias existentes. A busca por um método aceitável para coleta de dados de sedimentos que associe baixo custo, facilidade de operação e disponibilidade no mercado e, ao mesmo tempo, produza dados confiáveis e com uma resolução espacial e temporal, representa um vasto campo de estudo. Desta forma, o principal objetivo deste estudo é verificar a aplicabilidade da utilização de um equipamento acústico por Efeito Doppler para a quantificação dos sedimentos transportados em suspensão em um rio. As estimativas da concentração de sedimentos em suspensão foram realizadas através da aplicação de métodos empíricos para conversão do sinal acústico do equipamento em perfis de concentração de sedimentos em suspensão. Foram utilizados três métodos propostos por Deines (1999), Mayerle e Poerbandono (2002) e Gartner (2002), e ainda, a comparação direta entre o sinal acústico emitido pelo equipamento e a concentração medida em laboratório. De forma geral, os métodos que utilizaram relações de regressão entre os dados obtiveram os melhores resultados. O método que melhor estimou os valores de concentração de sedimentos em suspensão foi o de Gartner, enquanto que o método que obteve pior desempenho foi o método de Deines. Este estudo ressalta a necessidade de um melhor entendimento das relações entre dados hidro-acústicos e informações dos sedimentos transportados pelos rios, a fim de aprimorar seu uso em projetos e pesquisas na área de hidrologia. / The appropriate use of hydrous resources is linked to the knowledge about the rivers’ regimes and its seasonality, the pluvial regimes and information about the hydrological cycle in several parts of the hydrographic basins. The amount of suspended material carried by the rivers is very important since it directly affects the human activities. There are still very few studies that focus on monitoring concentration of sediments carried by the rivers in a local or regional level in a consistent way. In Brazil, the measurements of the solid flow in rivers are very rare due to the high costs and operational difficulties associated with the existing methodologies. There is a wide field of study that aims to find an acceptable method for sediments data collection, which just not associates low cost with simple operational tasks and commercial availability, but also produces reliable data with a good spatial and temporal resolution. Thus, the main objective of this study is to verify it it is suitable to use the acoustic equipment for Doppler Effect for the quantification of sediments carried by suspension in a river. The estimates of the concentration of suspension sediments were done using empirical methods for converting the equipment’s acoustic signals into suspension sediments concentration profiles. Three previous proposed methods were used in this study, Deines (1999), Mayerle and Poerbandono (2002) and Gartner (2002). The study also used direct comparisons between the acoustic signal emitted by the equipment and the concentration measured in laboratory. In general, methods with regression relations between the data presented better results. Gartner method resulted in the best estimation of the concentration of suspension sediments values. On the other hand, Deines method had the worst performance. This study points out the need of a better understanding of the relations between hydro-acoustic data and the information of sediments carried by rivers in order to improve its use in projects and research in the hydrology area.

O adequado aproveitamento dos recursos hídricos está relacionado ao conhecimento dos regimes dos rios e suas sazonalidades, dos regimes pluviométricos e de uma série de informações do ciclo hidrológico, em diversas partes das bacias hidrográficas. A quantidade de material em suspensão transportado pelas águas dos rios é de grande importância, pois afeta diretamente as atividades antrópicas. Ainda é pequeno o número de estudos e monitoramentos locais e regionais consistentes sobre a concentração de sedimentos transportados pelos rios. No Brasil, as medições de vazão sólida em rios são muito escassas, provavelmente, devido aos custos elevados e dificuldades operacionais relativas às metodologias existentes. A busca por um método aceitável para coleta de dados de sedimentos que associe baixo custo, facilidade de operação e disponibilidade no mercado e, ao mesmo tempo, produza dados confiáveis e com uma resolução espacial e temporal, representa um vasto campo de estudo. Desta forma, o principal objetivo deste estudo é verificar a aplicabilidade da utilização de um equipamento acústico por Efeito Doppler para a quantificação dos sedimentos transportados em suspensão em um rio. As estimativas da concentração de sedimentos em suspensão foram realizadas através da aplicação de métodos empíricos para conversão do sinal acústico do equipamento em perfis de concentração de sedimentos em suspensão. Foram utilizados três métodos propostos por Deines (1999), Mayerle e Poerbandono (2002) e Gartner (2002), e ainda, a comparação direta entre o sinal acústico emitido pelo equipamento e a concentração medida em laboratório. De forma geral, os métodos que utilizaram relações de regressão entre os dados obtiveram os melhores resultados. O método que melhor estimou os valores de concentração de sedimentos em suspensão foi o de Gartner, enquanto que o método que obteve pior desempenho foi o método de Deines. Este estudo ressalta a necessidade de um melhor entendimento das relações entre dados hidro-acústicos e informações dos sedimentos transportados pelos rios, a fim de aprimorar seu uso em projetos e pesquisas na área de hidrologia. / The appropriate use of hydrous resources is linked to the knowledge about the rivers’ regimes and its seasonality, the pluvial regimes and information about the hydrological cycle in several parts of the hydrographic basins. The amount of suspended material carried by the rivers is very important since it directly affects the human activities. There are still very few studies that focus on monitoring concentration of sediments carried by the rivers in a local or regional level in a consistent way. In Brazil, the measurements of the solid flow in rivers are very rare due to the high costs and operational difficulties associated with the existing methodologies. There is a wide field of study that aims to find an acceptable method for sediments data collection, which just not associates low cost with simple operational tasks and commercial availability, but also produces reliable data with a good spatial and temporal resolution. Thus, the main objective of this study is to verify it it is suitable to use the acoustic equipment for Doppler Effect for the quantification of sediments carried by suspension in a river. The estimates of the concentration of suspension sediments were done using empirical methods for converting the equipment’s acoustic signals into suspension sediments concentration profiles. Three previous proposed methods were used in this study, Deines (1999), Mayerle and Poerbandono (2002) and Gartner (2002). The study also used direct comparisons between the acoustic signal emitted by the equipment and the concentration measured in laboratory. In general, methods with regression relations between the data presented better results. Gartner method resulted in the best estimation of the concentration of suspension sediments values. On the other hand, Deines method had the worst performance. This study points out the need of a better understanding of the relations between hydro-acoustic data and the information of sediments carried by rivers in order to improve its use in projects and research in the hydrology area.

O adequado aproveitamento dos recursos hídricos está relacionado ao conhecimento dos regimes dos rios e suas sazonalidades, dos regimes pluviométricos e de uma série de informações do ciclo hidrológico, em diversas partes das bacias hidrográficas. A quantidade de material em suspensão transportado pelas águas dos rios é de grande importância, pois afeta diretamente as atividades antrópicas. Ainda é pequeno o número de estudos e monitoramentos locais e regionais consistentes sobre a concentração de sedimentos transportados pelos rios. No Brasil, as medições de vazão sólida em rios são muito escassas, provavelmente, devido aos custos elevados e dificuldades operacionais relativas às metodologias existentes. A busca por um método aceitável para coleta de dados de sedimentos que associe baixo custo, facilidade de operação e disponibilidade no mercado e, ao mesmo tempo, produza dados confiáveis e com uma resolução espacial e temporal, representa um vasto campo de estudo. Desta forma, o principal objetivo deste estudo é verificar a aplicabilidade da utilização de um equipamento acústico por Efeito Doppler para a quantificação dos sedimentos transportados em suspensão em um rio. As estimativas da concentração de sedimentos em suspensão foram realizadas através da aplicação de métodos empíricos para conversão do sinal acústico do equipamento em perfis de concentração de sedimentos em suspensão. Foram utilizados três métodos propostos por Deines (1999), Mayerle e Poerbandono (2002) e Gartner (2002), e ainda, a comparação direta entre o sinal acústico emitido pelo equipamento e a concentração medida em laboratório. De forma geral, os métodos que utilizaram relações de regressão entre os dados obtiveram os melhores resultados. O método que melhor estimou os valores de concentração de sedimentos em suspensão foi o de Gartner, enquanto que o método que obteve pior desempenho foi o método de Deines. Este estudo ressalta a necessidade de um melhor entendimento das relações entre dados hidro-acústicos e informações dos sedimentos transportados pelos rios, a fim de aprimorar seu uso em projetos e pesquisas na área de hidrologia. / The appropriate use of hydrous resources is linked to the knowledge about the rivers’ regimes and its seasonality, the pluvial regimes and information about the hydrological cycle in several parts of the hydrographic basins. The amount of suspended material carried by the rivers is very important since it directly affects the human activities. There are still very few studies that focus on monitoring concentration of sediments carried by the rivers in a local or regional level in a consistent way. In Brazil, the measurements of the solid flow in rivers are very rare due to the high costs and operational difficulties associated with the existing methodologies. There is a wide field of study that aims to find an acceptable method for sediments data collection, which just not associates low cost with simple operational tasks and commercial availability, but also produces reliable data with a good spatial and temporal resolution. Thus, the main objective of this study is to verify it it is suitable to use the acoustic equipment for Doppler Effect for the quantification of sediments carried by suspension in a river. The estimates of the concentration of suspension sediments were done using empirical methods for converting the equipment’s acoustic signals into suspension sediments concentration profiles. Three previous proposed methods were used in this study, Deines (1999), Mayerle and Poerbandono (2002) and Gartner (2002). The study also used direct comparisons between the acoustic signal emitted by the equipment and the concentration measured in laboratory. In general, methods with regression relations between the data presented better results. Gartner method resulted in the best estimation of the concentration of suspension sediments values. On the other hand, Deines method had the worst performance. This study points out the need of a better understanding of the relations between hydro-acoustic data and the information of sediments carried by rivers in order to improve its use in projects and research in the hydrology area.

Modelos matemáticos de predição de erosão e de produção de sedimentos apresentam um grande potencial para serem utilizados no planejamento dos recursos naturais, pois através destes é possível estimar impactos causados pelas atividades agrícolas. Com base nessa premissa, utilizou-se o modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool), em uma pequena bacia rural (1,19 km²) localizada no município de Arvorezinha-RS, para avaliar a sua aplicabilidade e simular a produção de sedimentos em três diferentes cenários de uso e manejo de solo (floresta, cultivo do fumo em sistema convencional e mínimo). A aplicabilidade do modelo foi avaliada através da comparação dos resultados hidrológicos e sedimentológicos simulados pelo modelo, sem utilização da calibração, com valores observados obtidos para uma série de dados de cinco anos de monitoramento hidrossedimentológico (2002-2006). Resultados referentes à aplicabilidade do modelo através da simulação do escoamento superficial para a escala de tempo diário não foram satisfatórios, enquanto que valores mensais e anuais foram mais adequados. Para a vazão líquida, da mesma forma que para o escoamento superficial, as melhores simulações foram verificadas também para vazões mensais e anuais. Já a produção de sedimentos os resultados não foram satisfatórios, tanto para simulações diárias como mensais e anuais. Possíveis razões que explicam os resultados da produção de sedimentos estão relacionados com limitações tanto da equação que simula o aporte de sedimentos (MUSLE), como do equacionamento da propagação dos sedimentos no canal. Os resultados das simulações hidrológicas para diferentes cenários mostraram não haver diferença para o escoamento superficial entre os sistemas convencional e o cultivo mínimo. Em relação à erosão, verificou-se que o cultivo mínimo foi capaz de reduzir em 30% a produção de sedimentos quando comparado com o sistema convencional. / Mathematical models to predict erosion and sediment yield have great potential for use in natural resource planning, as they enable the user to estimate impacts caused by agricultural activities. Based on this premise, the SWAT model (Soil and Water Assessment Tool) was applied in a small rural catchment (1,19 km²) in Arvorezinha - RS, in Southern Brazil, to evaluate its applicability and to estimate sediment yield under three different soil management scenarios: forest, conventional tillage with tobacco, and minimum tillage with tobacco. The applicability of the model was evaluated by comparing hydrologic and sediment results simulated by the uncalibrated model with observed values obtained over the course of five years (2002-2006) monitoring program. Applicability results for the model based on simulating surface runoff were unacceptable for the daily time scale, although results for monthly and annual time scales were better. This was also true for flow rate, with better simulations on the monthly and annual time scales. However for sediment yield simulations, the SWAT model did not present satisfactory results over any time frame. This may be related to limitations in the equation that simulates sediment load (MUSLE) or to the equivalency of sediment propagation in the canal. Hydrologic simulations for the different soil management scenarios did not show differences in surface runoff between conventional and minimum tillage, although the minimum tillage was shown to reduce sediment yield by 30% when compared with conventional tillage.

Modelos matemáticos de predição de erosão e de produção de sedimentos apresentam um grande potencial para serem utilizados no planejamento dos recursos naturais, pois através destes é possível estimar impactos causados pelas atividades agrícolas. Com base nessa premissa, utilizou-se o modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool), em uma pequena bacia rural (1,19 km²) localizada no município de Arvorezinha-RS, para avaliar a sua aplicabilidade e simular a produção de sedimentos em três diferentes cenários de uso e manejo de solo (floresta, cultivo do fumo em sistema convencional e mínimo). A aplicabilidade do modelo foi avaliada através da comparação dos resultados hidrológicos e sedimentológicos simulados pelo modelo, sem utilização da calibração, com valores observados obtidos para uma série de dados de cinco anos de monitoramento hidrossedimentológico (2002-2006). Resultados referentes à aplicabilidade do modelo através da simulação do escoamento superficial para a escala de tempo diário não foram satisfatórios, enquanto que valores mensais e anuais foram mais adequados. Para a vazão líquida, da mesma forma que para o escoamento superficial, as melhores simulações foram verificadas também para vazões mensais e anuais. Já a produção de sedimentos os resultados não foram satisfatórios, tanto para simulações diárias como mensais e anuais. Possíveis razões que explicam os resultados da produção de sedimentos estão relacionados com limitações tanto da equação que simula o aporte de sedimentos (MUSLE), como do equacionamento da propagação dos sedimentos no canal. Os resultados das simulações hidrológicas para diferentes cenários mostraram não haver diferença para o escoamento superficial entre os sistemas convencional e o cultivo mínimo. Em relação à erosão, verificou-se que o cultivo mínimo foi capaz de reduzir em 30% a produção de sedimentos quando comparado com o sistema convencional. / Mathematical models to predict erosion and sediment yield have great potential for use in natural resource planning, as they enable the user to estimate impacts caused by agricultural activities. Based on this premise, the SWAT model (Soil and Water Assessment Tool) was applied in a small rural catchment (1,19 km²) in Arvorezinha - RS, in Southern Brazil, to evaluate its applicability and to estimate sediment yield under three different soil management scenarios: forest, conventional tillage with tobacco, and minimum tillage with tobacco. The applicability of the model was evaluated by comparing hydrologic and sediment results simulated by the uncalibrated model with observed values obtained over the course of five years (2002-2006) monitoring program. Applicability results for the model based on simulating surface runoff were unacceptable for the daily time scale, although results for monthly and annual time scales were better. This was also true for flow rate, with better simulations on the monthly and annual time scales. However for sediment yield simulations, the SWAT model did not present satisfactory results over any time frame. This may be related to limitations in the equation that simulates sediment load (MUSLE) or to the equivalency of sediment propagation in the canal. Hydrologic simulations for the different soil management scenarios did not show differences in surface runoff between conventional and minimum tillage, although the minimum tillage was shown to reduce sediment yield by 30% when compared with conventional tillage.

Modelos matemáticos de predição de erosão e de produção de sedimentos apresentam um grande potencial para serem utilizados no planejamento dos recursos naturais, pois através destes é possível estimar impactos causados pelas atividades agrícolas. Com base nessa premissa, utilizou-se o modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool), em uma pequena bacia rural (1,19 km²) localizada no município de Arvorezinha-RS, para avaliar a sua aplicabilidade e simular a produção de sedimentos em três diferentes cenários de uso e manejo de solo (floresta, cultivo do fumo em sistema convencional e mínimo). A aplicabilidade do modelo foi avaliada através da comparação dos resultados hidrológicos e sedimentológicos simulados pelo modelo, sem utilização da calibração, com valores observados obtidos para uma série de dados de cinco anos de monitoramento hidrossedimentológico (2002-2006). Resultados referentes à aplicabilidade do modelo através da simulação do escoamento superficial para a escala de tempo diário não foram satisfatórios, enquanto que valores mensais e anuais foram mais adequados. Para a vazão líquida, da mesma forma que para o escoamento superficial, as melhores simulações foram verificadas também para vazões mensais e anuais. Já a produção de sedimentos os resultados não foram satisfatórios, tanto para simulações diárias como mensais e anuais. Possíveis razões que explicam os resultados da produção de sedimentos estão relacionados com limitações tanto da equação que simula o aporte de sedimentos (MUSLE), como do equacionamento da propagação dos sedimentos no canal. Os resultados das simulações hidrológicas para diferentes cenários mostraram não haver diferença para o escoamento superficial entre os sistemas convencional e o cultivo mínimo. Em relação à erosão, verificou-se que o cultivo mínimo foi capaz de reduzir em 30% a produção de sedimentos quando comparado com o sistema convencional. / Mathematical models to predict erosion and sediment yield have great potential for use in natural resource planning, as they enable the user to estimate impacts caused by agricultural activities. Based on this premise, the SWAT model (Soil and Water Assessment Tool) was applied in a small rural catchment (1,19 km²) in Arvorezinha - RS, in Southern Brazil, to evaluate its applicability and to estimate sediment yield under three different soil management scenarios: forest, conventional tillage with tobacco, and minimum tillage with tobacco. The applicability of the model was evaluated by comparing hydrologic and sediment results simulated by the uncalibrated model with observed values obtained over the course of five years (2002-2006) monitoring program. Applicability results for the model based on simulating surface runoff were unacceptable for the daily time scale, although results for monthly and annual time scales were better. This was also true for flow rate, with better simulations on the monthly and annual time scales. However for sediment yield simulations, the SWAT model did not present satisfactory results over any time frame. This may be related to limitations in the equation that simulates sediment load (MUSLE) or to the equivalency of sediment propagation in the canal. Hydrologic simulations for the different soil management scenarios did not show differences in surface runoff between conventional and minimum tillage, although the minimum tillage was shown to reduce sediment yield by 30% when compared with conventional tillage.