Este trabalho discute a composição de campos de precipitação a partir de duas fontes de dados: os pluviômetros e o radar meteorológico. Estudaram-se métodos baseados somente em dados de pluviômetros, somente em dados de radar, e técnicas que combinam as duas fontes de dados. O objeto de estudo é a bacia do rio Jacaré-Guaçu, que conta com 65 postos pluviométricos e um radar meteorológico, do IPMet-Bauru. Foi feita uma comparação direta entre os campos gerados pelas diversas técnicas, onde foi avaliado o comportamento do índice G (razão entre o registro pluviométrico e a média dos registros de radar dos 9 pixels que circundam o pluviômetro), a capacidade destas técnicas de fornecer a chuva pontual e a altura média diária e anual de chuva por área de integração. Os métodos compostos apresentaram valores pontuais de chuva muito elevados e foram introduzidos fatores limitantes para compensar estas super correções. Os resultados obtidos reproduziram qualitativamente os valores da literatura. Ao analisar a média das chuvas diárias para toda a bacia e para todo o período, utilizando como padrão de comparação o método do Inverso do Quadrado da Distância (IQD), constatou que o radar fornece valores 12% menores, e que os métodos mistos apresentam diferenças na faixa de -0,5 a +16%. Nesta forma de análise existe um ganho ao se utilizar as técnicas mistas, porém ao se trabalhar com valores diários, integrados em sub-bacias, as diferenças atingem valores de -45% até +70%. Estes campos de precipitação foram aplicados em um modelo hidrológico distribuído, de embasamento físico, com 19 parâmetros calibráveis. Trabalhou-se com 10 postos fluviométricos e com 6 anos de dados. A calibração foi feita com dois anos e o restante deles foi usado para validação. Para garantir a comparação entre os resultados usou-se rigorosamente a mesma metodologia de calibração, com apoio de algoritmo genético. Foram utilizadas três funções objetivo: uma para verificação dos picos, outra para recessão e a última para avaliar a diferença de volume. Verificou-se que os melhores resultados foram obtidos para os métodos IQD, Brandes com o maior limitador, Radar e Costa. Nestes métodos, o processo de calibração consegue compensar as diferenças dos campos de precipitação. As diferenças observadas nos campos de precipitação foram reproduzidas nos hidrogramas. Os hidrogramas resultantes da aplicação dos dados de radar não reproduziram bem a recessão e os hidrogramas resultantes dos campos gerados apenas por pluviômetros apresentam picos elevados. As técnicas mistas ora atenuam os picos ora intensificam-nos. Sugere-se mais pesquisa para o desenvolvimento de métodos mistos que explorem as vantagens dos dois equipamentos de medida de chuva / This work discusses the composition of precipitation fields using two data sources: rain gauges and weather radar. Methods based solely on rain gauges, on weather radar, and techniques that combine these two measurement instruments were studied. The study object is the Jacaré-Guaçu river basin, with 65 rain gauges and a meteorological radar (IPMet-Bauru). A direct comparison of these fields generated by diverse techniques was made to study the following subjects: G index (reason between the rain gauge register and the average of the 9 pixels radar registers that surround the rain gauge), the capacity of these techniques to supply the point rain and the daily and annual mean rain height over an integration area. The combined methods provides very high point values, therefore some limitations were introduced to compensate these super corrections. The literature results were qualitatively reproduced in this study. The daily mean rain height comparative analyses for all the basin, and for all the period, evidenced that the radar supplies to values 12% minors, and that the composed methods present differences from -0,5 up to +16%; the comparison pattern was the Inverse of Square Distance method (ISD). The study of mean rain height calculated over a great period and to the entire river basin shows a profit when using the combined techniques; however, when daily values integrated in sub-basins are used, the differences reach values from -45% until +70%. These precipitation fields had been applied in a distributed hydrologic model, physically based, with 19 calibrated parameters. There were 10 fluviometric stations and 6 years of data. The calibration was made with two years, and that remain data was used for validation. To guarantee the results comparison, the same calibration methodology was rigorously used, with support of genetic algorithm. Three objective functions were used: one for peaks verification, another for recession analyses and the last one for volume difference evaluation. The best results were achieved by the application of the precipitation fields gotten by ISD, Brandes with high limitation, Radar and Costa methods. For these methods, the calibration process compensated the differences on the precipitation fields. The differences observed in the precipitation fields had been reproduced in the hydrograms. The hydrograms of the radar data applications had not well reproduced the recession curve, and the hydrograms of the precipitation fields based only on rain gauges presented high peaks. Sometimes the composed techniques attenuate the peaks, however, sometimes they intensify them. More research is recommended to develop compoud methods that explore the advantages of the two equipments for rain measure

In the last decade, spatially distributed hydrological models have rapidly advanced with the widespread availability of remotely sensed and geomatics information. Particularly, the areas of calibration and evaluation of spatially distributed hydrological models have been attempted in order to reduce the differences between models and improve realism through various techniques. Despite steady efforts, the study of calibrations and evaluations for spatially distributed hydrological models is still a largely unexplored field, in that there is no research in terms of the interactions of snow and water balance components with the traditional measurement methods as error functions. As one of the factors related to runoff, melting snow is important, especially in mountainous regions with heavy snowfall; however, no study considering both snow and water components simultaneously has investigated the procedures of calibration and evaluation for spatially distributed models. Additionally, novel approaches of error functions would be needed to reflect the characteristics of spatially distributed hydrological models in the comparison between simulated and observed values. Lastly, the shift from lumped model calibration to distributed model calibration has raised the model complexity. The number of unknown parameters can rapidly increase, depending on the degree of distribution. Therefore, a strategy is required to determine the optimal degree of model distributions for a study basin. In this study, we will attempt to address the issues raised above. This study utilizes the Research Distributed Hydrological Model (HL-RDHM) developed by Hydrologic Development Office of the National Weather Service (OHD-NWS). This model simultaneously simulates both snow and water balance components. It consists largely of two different modules, i.e., the Snow 17 as a snow component and the Sacramento Soil Moisture Accounting (SAC-SMA) as a water component, and is applied over the Durango River basin in Colorado, which is an area driven primarily by snow. As its main contribution, this research develops and tests various methods to calibrate and evaluate spatially distributed hydrological models with different, non-commensurate, variables and measurements. Additionally, this research provides guidance on the way to decide an appropriate degree of model distribution (resolution) for a specific water catchment.

Este trabalho discute a composição de campos de precipitação a partir de duas fontes de dados: os pluviômetros e o radar meteorológico. Estudaram-se métodos baseados somente em dados de pluviômetros, somente em dados de radar, e técnicas que combinam as duas fontes de dados. O objeto de estudo é a bacia do rio Jacaré-Guaçu, que conta com 65 postos pluviométricos e um radar meteorológico, do IPMet-Bauru. Foi feita uma comparação direta entre os campos gerados pelas diversas técnicas, onde foi avaliado o comportamento do índice G (razão entre o registro pluviométrico e a média dos registros de radar dos 9 pixels que circundam o pluviômetro), a capacidade destas técnicas de fornecer a chuva pontual e a altura média diária e anual de chuva por área de integração. Os métodos compostos apresentaram valores pontuais de chuva muito elevados e foram introduzidos fatores limitantes para compensar estas super correções. Os resultados obtidos reproduziram qualitativamente os valores da literatura. Ao analisar a média das chuvas diárias para toda a bacia e para todo o período, utilizando como padrão de comparação o método do Inverso do Quadrado da Distância (IQD), constatou que o radar fornece valores 12% menores, e que os métodos mistos apresentam diferenças na faixa de -0,5 a +16%. Nesta forma de análise existe um ganho ao se utilizar as técnicas mistas, porém ao se trabalhar com valores diários, integrados em sub-bacias, as diferenças atingem valores de -45% até +70%. Estes campos de precipitação foram aplicados em um modelo hidrológico distribuído, de embasamento físico, com 19 parâmetros calibráveis. Trabalhou-se com 10 postos fluviométricos e com 6 anos de dados. A calibração foi feita com dois anos e o restante deles foi usado para validação. Para garantir a comparação entre os resultados usou-se rigorosamente a mesma metodologia de calibração, com apoio de algoritmo genético. Foram utilizadas três funções objetivo: uma para verificação dos picos, outra para recessão e a última para avaliar a diferença de volume. Verificou-se que os melhores resultados foram obtidos para os métodos IQD, Brandes com o maior limitador, Radar e Costa. Nestes métodos, o processo de calibração consegue compensar as diferenças dos campos de precipitação. As diferenças observadas nos campos de precipitação foram reproduzidas nos hidrogramas. Os hidrogramas resultantes da aplicação dos dados de radar não reproduziram bem a recessão e os hidrogramas resultantes dos campos gerados apenas por pluviômetros apresentam picos elevados. As técnicas mistas ora atenuam os picos ora intensificam-nos. Sugere-se mais pesquisa para o desenvolvimento de métodos mistos que explorem as vantagens dos dois equipamentos de medida de chuva / This work discusses the composition of precipitation fields using two data sources: rain gauges and weather radar. Methods based solely on rain gauges, on weather radar, and techniques that combine these two measurement instruments were studied. The study object is the Jacaré-Guaçu river basin, with 65 rain gauges and a meteorological radar (IPMet-Bauru). A direct comparison of these fields generated by diverse techniques was made to study the following subjects: G index (reason between the rain gauge register and the average of the 9 pixels radar registers that surround the rain gauge), the capacity of these techniques to supply the point rain and the daily and annual mean rain height over an integration area. The combined methods provides very high point values, therefore some limitations were introduced to compensate these super corrections. The literature results were qualitatively reproduced in this study. The daily mean rain height comparative analyses for all the basin, and for all the period, evidenced that the radar supplies to values 12% minors, and that the composed methods present differences from -0,5 up to +16%; the comparison pattern was the Inverse of Square Distance method (ISD). The study of mean rain height calculated over a great period and to the entire river basin shows a profit when using the combined techniques; however, when daily values integrated in sub-basins are used, the differences reach values from -45% until +70%. These precipitation fields had been applied in a distributed hydrologic model, physically based, with 19 calibrated parameters. There were 10 fluviometric stations and 6 years of data. The calibration was made with two years, and that remain data was used for validation. To guarantee the results comparison, the same calibration methodology was rigorously used, with support of genetic algorithm. Three objective functions were used: one for peaks verification, another for recession analyses and the last one for volume difference evaluation. The best results were achieved by the application of the precipitation fields gotten by ISD, Brandes with high limitation, Radar and Costa methods. For these methods, the calibration process compensated the differences on the precipitation fields. The differences observed in the precipitation fields had been reproduced in the hydrograms. The hydrograms of the radar data applications had not well reproduced the recession curve, and the hydrograms of the precipitation fields based only on rain gauges presented high peaks. Sometimes the composed techniques attenuate the peaks, however, sometimes they intensify them. More research is recommended to develop compoud methods that explore the advantages of the two equipments for rain measure

A escassez de dados hidrológicos no Brasil é um problema recorrente em muitas regiões, principalmente em se tratando de dados hidrométricos, produção de sedimentos e qualidade da água. A pesquisa por modelos de bacias hidrográficas tem aumentado nas últimas décadas, porém, a estimativa de dados hidrossedimentológicos a partir de modelos mais sofisticados demanda de grande número de variáveis, que devem ser ajustadas para cada sistema natural, o que dificulta a sua aplicação. O objetivo principal desta tese foi avaliar diferentes ferramentas de modelagem utilizadas para a estimativa da vazão, produção de sedimentos e qualidade da água e, em particular, comparar os resultados obtidos de um modelo hidrológico físico semi-distribuído, o Soil Water Assessment Tool (SWAT) com os resultados obtidos a partir de modelos hidrológicos concentrados, com base na metodologia do número da curva de escoamento do Soil Conservation Service (SCS-CN) e no modelo Generalized Watershed Loading Function (GWLF). Buscou-se avaliar e apresentar em quais condições o uso de cada modelo deve ser recomendado, ou seja, quando o esforço necessário para executar o modelo semi-distribuído leva a melhores resultados efetivos. Em relação à simulação da vazão, os resultados dos dois modelos foram altamente influenciados pelos dados de precipitação, indicando que existem, possivelmente, falhas ou erros de medição que poderiam ter influenciado negativamente os resultados. Portanto, foi proposto aplicar o modelo semi-distribuído com dados de precipitação interpolados (DPI) de alta resolução para verificar a eficiência de seus resultados em comparação com os resultados obtidos com a utilização dos dados de precipitação observados (DPO). Para simulação da produção de sedimentos, e das concentrações de nitrogênio e fósforo, o SWAT realiza uma simulação hidrológica mais detalhada, portanto, fornece resultados ligeiramente melhores para parâmetros de qualidade da água. O uso do modelo semi-distribuído também foi ampliado para simular uma bacia hidrográfica sob a influência do reservatório, a fim de verificar a potencialidade do modelo para esse propósito. Os modelos também foram aplicados para identificar quais os impactos potenciais das mudanças no uso do solo previstas e em andamento. Os cenários estudados foram: I – cenário atual, II – cenário tendencial, com o aumento da mancha urbana e substituição do solo exposto e de parte da mata nativa por uso agrícola; III – cenário desejável, complementa o crescimento urbano tendencial com aumento de áreas de reflorestamento. As metodologias foram aplicadas em duas bacias hidrográficas localizadas no Sudeste do Brasil. A primeira é a bacia do rio Jacaré-Guaçu, incluída na Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos 13 (UGRHI-13), a montante da confluência do rio das Cruzes, com uma área de 1934 km2. O segundo caso de estudo, é a bacia do rio Atibaia, inserida na UGRHI-5, tem uma área de 2817,88 km2 e abrange municípios dos estados de São Paulo e Minas Gerais. Como principal conclusão, o desempenho do modelo semi-distribuído para estimar a produção de sedimentos, e as concentrações de nitrogênio e fósforo foi ligeiramente melhor do que as simulações do modelo concentrado SCS-CN e GWLF, mas essa vantagem pode não compensar o esforço adicional de calibrá-lo e validá-lo. / The lack of hydrological data in Brazil is a recurrent problem in many regions, especially in hydrometric data, sediment yield and water quality. The research by simplified models has increased in the last decades, however, the estimation of hydrossedimentological data from these more sophisticated models demands many variables, which must be adjusted for each natural system, which makes it difficult to apply. At times it is necessary to respond quickly without much precision in the results, in these situations, simpler models with few parameters can be the solution. The objective of this research is to evaluate different modelling tools used estimate streamflow, sediments yield and nutrients loads values, and namely to compare the results obtained from a physically-based distributed hydrological model (SWAT) with the results from a lumped hydrological, the Soil Conservation Service (SCS-CN) and the Generalized Watershed Loading Function (GWLF) model. Both models use the curve number (CN) concept, determined from land use, soil hydrologic group and antecedent soil moisture conditions and were run with a daily time step. We are particularly interested in understanding under which conditions the use of each model is to be recommended, namely when does the addition effort required to run the distributed model leads to effective better results. The input variables and parameters of the lumped model are assumed constant throughout the watershed, while the SWAT model performs the hydrological analysis at a small unit level, designated as hydrological response units (HRUs), and integrates the results at a sub-basin level. In relation to the flow simulation, the results of the two models were highly influenced by the rainfall data, indicating that, possibly, faults or measurement errors could have negatively influenced the results. Therefore, it was proposed to apply the distributed model with high-resolution grids of daily precipitation to verify the efficiency of its results when compared to rainfall data. For simulation of sediment, nitrogen and phosphorus, SWAT performs a more detailed simulation and thus provides slightly better results. The use of the SWAT was also extended to simulate the influence of reservoir, in order to verify the potentiality of the model, in relation to the simulation. The models also were used to identify which are potential impacts of the ongoing land use changes. The scenarios were: I - Current scenario, II - trend scenario, with the increase of urban land and replacement of the exposed soil and part of the native forest by agricultural use; III - desirable scenario complements the trend urban growth with the replacement of exposed soil and part of the agricultural use by reforestation. The methodologies were applied on two watersheds located in the Southeast of Brazil. The first one is the Jacaré-Guaçu river basin, included in the Water Resources Management Unit 13 (UGRHI-13), upstream of Cruzes river confluence, with an area of 1934 km2. The second watershed is the Atibaia River Basin, a part of Water Resources Management Unit 5 (UGRHI-5). It has an area of 2817.88 km2 and covers municipalities of the states of São Paulo and Minas Gerais.

As áreas variáveis de afluência (AVAs) são dinâmicas, apresentando expansão das áreas saturadas durante os eventos de chuva, geralmente próximas aos cursos d\'água e, no momento que a chuva cessa, estas áreas saturadas se contraem. O escoamento superficial ocorre nessas áreas devido ao excesso de saturação, provocado pelo aumento do volume d\'água armazenado no perfil de solo e, extravasamento nas áreas com solos rasos, próxima aos rios. Dessa forma, faz-se necessário quantificar o processo de escoamento superficial para a correta delimitação das AVAs. A utilização dos modelos hidrológicos para essa finalidade teve início após legislação estadunidense que define níveis máximos permitidos para poluição difusa. Diversos modelos foram desenvolvidos para quantificar a entrada de poluentes nos corpos hídricos, entretanto não havia maneira precisa de localizar as áreas variáveis de afluência, sendo estas as mais propensas a carrear os contaminantes. Somente através da utilização de modelos hidrológicos distribuídos foi possível considerar o componente espacial, ou seja, a localização exata da ocorrência dos processos hidrológicos, e sua inter-relação com uso de solo e tipo de solo, permitindo testar diferentes cenários avaliando quais áreas convertidas em florestas contribuiriam para maior ganho de serviços ecossistêmicos relacionados à manutenção de recursos hídricos. Portanto, foram modelados 3 cenários: o cenário atual, o cenário AVA e o cenário Código Florestal. O primeiro representa a situação atual do uso do solo, e fornece base para comparação com outros cenários. A probabilidade de saturação para este cenário foi definida com uso do modelo hidrológico GSSHA, permitindo delimitar as áreas variáveis de afluência e criar o cenário AVA, o qual simula a restauração florestal em todas as áreas variáveis de afluência. Por último, foi modelado o cenário Código Florestal, que simula a restauração florestal das áreas de preservação permanentes (APPs), com a função de avaliar quais os impactos para a manutenção dos recursos hídricos caso seja cumprido o Código Florestal (Lei nº. 4.711/65) e sejam restauradas todas as áreas de preservação permanente. Os resultados mostram que a restauração das AVA, com alteração de apenas 4,04% da área total da bacia, aumentaria em 48% a infiltração da água no solo, eliminando a geração de escoamento superficial em áreas agrosilvopastoris e conseqüente carreamento de poluentes provenientes dessas áreas. A restauração das APPs representa uma alteração de 9,36% da área da bacia e promove a recuperação da dinâmica de expansão e contração das nascentes da bacia hidrográfica, que garante redução da vazão e atraso do pico de vazão, evitando respostas hidrológicas hortonianas na bacia hidrográfica. Ambos cenários apresentam benefícios para manutenção dos recursos hídricos. As áreas de preservação permanente apresentam papel significativo na proteção dos recursos hídricos, protegendo mais de 60% das AVAs e sendo de fácil delimitação. A utilização do índice topográfico como variável substituta à modelagem hidrológica apresentou correlação de ~0,33, que permite utilizar o índice para uma análise exploratória, porém insuficiente para delimitar as áreas variáveis de afluência. / The variables source areas (VSA) are dynamic, showing expansion of saturated areas during rain events, usually near to streams and, at the time the rain stops, these saturated areas contract. Runoff occurs in these areas due to saturation excess overland flow, caused by increased of stored volume water in the soil profile, and extravasation in areas with shallow soils, next to streams. Thus, it is necessary to quantify the process of runoff for the correct delineation of VSA. The use of hydrological models for this purpose began after U.S. law which sets maximum permitted levels for diffuse pollution. Several models have been developed to quantify the entry of pollutants in water bodies, however there was no accurate way to pinpoint variables source areas, which are the most likely to carrying contaminants. Only through the use of distributed hydrological models was possible to consider the spatial component, in other words, the exact location of the occurrence of hydrological processes and their interrelationship with land use and soil type, allowing you to test different scenarios by assessing which areas converted to forests contribute to greater gains in ecosystem services related to maintenance of water resources. Therefore, were evaluated three scenarios: the actual scenario, the VSA scenario and the Forest Code scenario. The first one represents the current state of land use and provides a basis for comparison with other scenarios. The probability of saturation for this scenario was defined using the hydrological model GSSHA, allowing to delimit variables source areas and to create the VSA scenario, which simulates forest restoration in all variables source areas. Finally, was modeled the Forestry Code scenario, which simulates forest restoration of permanent preservation areas (PPA), whose function is to assess the impacts for the maintenance of water resources if it complied the Forest Code (Law nº. 4.711/65) and restored all permanent preservation areas. The results show that the restoration of the VSA, with only a 4,04% change of the total area of the watershed, it would increase in 48% water infiltration into the soil, eliminating the generation of surface runoff and consequent carry pollutants from these areas. The restoration of the PPA represents a change of 9,36% of the watershed area and promotes the recovery of dynamic expansion and contraction of the headwaters of the watershed, which ensures reduction in flow rate and delay peak flow, avoiding answers hortonian in the hydrological basin. Both scenarios provide benefits for maintenance of water resources. The permanent preservation areas have significant role in protecting water resources, protecting more than 60% of VSA and being easy delimitation. The use of topographic index as surrogate parameter correlated to the hydrological modeling of ~ 0,33, which allows use the index to an exploratory analysis, but insufficient to delineate the variables source areas.

Les bassins périurbains, constitués de zones urbaines, agricoles et naturelles, sont des bassinsversants complexes à étudier. L’augmentation des surfaces imperméables et les modifications deschemins d’écoulement par les réseaux d’assainissement influencent leur hydrologie. Ces modificationssont notamment liées aux choix de modes de gestion des eaux pluviales : réseaux unitaires,réseaux séparatifs, infiltration à la parcelle, etc. La modélisation hydrologique spatialisée, quirend compte de l’hétérogénéité des bassins versants, est un outil permettant d’évaluer les différentsenjeux en termes d’occupation du sol et de gestion des eaux pluviales. Cependant, peu demodèles ont été construits pour être appliqués aux bassins périurbains, à l’échelle des gestionnaires(˜ 100 km2) et pour des simulations sur de longues périodes (> 10 ans). La modélisationhydrologique doit donc être adaptée afin de mieux capter les spécificités des milieux périurbainstelles que l’hétérogénéité de l’occupation du sol et la connexion de certaines zones urbaines à unréseau d’assainissement.Ce travail de thèse a consisté à développer un nouvel outil de modélisation adapté à ces problématiques: le modèle distribué horaire J2000P. Ce modèle simule les processus hydrologiquesen milieux ruraux et urbains et prend en compte les réseaux d’assainissement, les connexionsà ces réseaux et les déversements des déversoirs d’orage (DO). Le modèle a été mis en oeuvresur le bassin périurbain de l’Yzeron (˜ 130 km2), situé à l’ouest de Lyon. L’évaluation, effectuéeà l’exutoire de différents sous-bassins de tailles et d’occupations du sol différentes, montre desrésultats très encourageants. Le modèle a tendance à sous-estimer le débit mais la dynamiquedes pics est bien représentée tout comme le déversement des DO. Suite aux résultats de l’évaluation,une analyse de sensibilité « pas à pas » du modèle a été réalisée et différentes hypothèsesde fonctionnement du bassin ont été formulées pour améliorer la compréhension du modèle etdes processus représentés. Le modèle a ensuite été utilisé pour tester l’impact de modificationsde l’occupation des sols et/ou de la gestion des eaux pluviales sur la réponse hydrologique. Lemodèle montre que la gestion de l’occupation du sol a moins d’influence sur l’hydrologie dubassin que la gestion du réseau d’assainissement. / Growing urbanization and related anthropogenic processes have a high potential to influencehydrological process dynamics. Typical consequences are an increase of surface imperviousnessand modifications of water flow paths due to artificial channels and barriers (combined and separatedsystem, sewer overflow device, roads, ditches, etc.). Periurban catchments, at the edgeof large cities, are especially affected by fast anthropogenic modifications. They usually consistof a combination of natural areas, rural areas with dispersed settlements and urban areas mostlycovered by built zones and spots of natural surfaces. Spatialized hydrological modeling tools, simulatingthe entire hydrological cycle and able to take into account the important heterogeneityof periurban watersheds can be used to assess the impact of stormwater management practiceson their hydrology.We propose a new modeling tool for these issues : the hourly distributed J2000P model.This model simulates the hydrological processes in rural and urban areas and takes into accountthe sewerage networks, connections to these networks and overflows from sewer overflow devices(SOD). The application site is the Yzeron catchment (˜ 130 km2), located in the West of Lyon.The evaluation, conducted at the outlet of different sub-basins with different sizes and landuse, shows very encouraging results. The model tends to underestimate the discharge but thedynamics of the peaks and the SOD overflows are well simulated. The model is also used to testthe impact of changes in land use and/or stormwater management on the hydrological response.The results show that land use management has less impact on the hydrology of the catchmentthan stormwater management.

As áreas variáveis de afluência (AVAs) são dinâmicas, apresentando expansão das áreas saturadas durante os eventos de chuva, geralmente próximas aos cursos d\'água e, no momento que a chuva cessa, estas áreas saturadas se contraem. O escoamento superficial ocorre nessas áreas devido ao excesso de saturação, provocado pelo aumento do volume d\'água armazenado no perfil de solo e, extravasamento nas áreas com solos rasos, próxima aos rios. Dessa forma, faz-se necessário quantificar o processo de escoamento superficial para a correta delimitação das AVAs. A utilização dos modelos hidrológicos para essa finalidade teve início após legislação estadunidense que define níveis máximos permitidos para poluição difusa. Diversos modelos foram desenvolvidos para quantificar a entrada de poluentes nos corpos hídricos, entretanto não havia maneira precisa de localizar as áreas variáveis de afluência, sendo estas as mais propensas a carrear os contaminantes. Somente através da utilização de modelos hidrológicos distribuídos foi possível considerar o componente espacial, ou seja, a localização exata da ocorrência dos processos hidrológicos, e sua inter-relação com uso de solo e tipo de solo, permitindo testar diferentes cenários avaliando quais áreas convertidas em florestas contribuiriam para maior ganho de serviços ecossistêmicos relacionados à manutenção de recursos hídricos. Portanto, foram modelados 3 cenários: o cenário atual, o cenário AVA e o cenário Código Florestal. O primeiro representa a situação atual do uso do solo, e fornece base para comparação com outros cenários. A probabilidade de saturação para este cenário foi definida com uso do modelo hidrológico GSSHA, permitindo delimitar as áreas variáveis de afluência e criar o cenário AVA, o qual simula a restauração florestal em todas as áreas variáveis de afluência. Por último, foi modelado o cenário Código Florestal, que simula a restauração florestal das áreas de preservação permanentes (APPs), com a função de avaliar quais os impactos para a manutenção dos recursos hídricos caso seja cumprido o Código Florestal (Lei nº. 4.711/65) e sejam restauradas todas as áreas de preservação permanente. Os resultados mostram que a restauração das AVA, com alteração de apenas 4,04% da área total da bacia, aumentaria em 48% a infiltração da água no solo, eliminando a geração de escoamento superficial em áreas agrosilvopastoris e conseqüente carreamento de poluentes provenientes dessas áreas. A restauração das APPs representa uma alteração de 9,36% da área da bacia e promove a recuperação da dinâmica de expansão e contração das nascentes da bacia hidrográfica, que garante redução da vazão e atraso do pico de vazão, evitando respostas hidrológicas hortonianas na bacia hidrográfica. Ambos cenários apresentam benefícios para manutenção dos recursos hídricos. As áreas de preservação permanente apresentam papel significativo na proteção dos recursos hídricos, protegendo mais de 60% das AVAs e sendo de fácil delimitação. A utilização do índice topográfico como variável substituta à modelagem hidrológica apresentou correlação de ~0,33, que permite utilizar o índice para uma análise exploratória, porém insuficiente para delimitar as áreas variáveis de afluência. / The variables source areas (VSA) are dynamic, showing expansion of saturated areas during rain events, usually near to streams and, at the time the rain stops, these saturated areas contract. Runoff occurs in these areas due to saturation excess overland flow, caused by increased of stored volume water in the soil profile, and extravasation in areas with shallow soils, next to streams. Thus, it is necessary to quantify the process of runoff for the correct delineation of VSA. The use of hydrological models for this purpose began after U.S. law which sets maximum permitted levels for diffuse pollution. Several models have been developed to quantify the entry of pollutants in water bodies, however there was no accurate way to pinpoint variables source areas, which are the most likely to carrying contaminants. Only through the use of distributed hydrological models was possible to consider the spatial component, in other words, the exact location of the occurrence of hydrological processes and their interrelationship with land use and soil type, allowing you to test different scenarios by assessing which areas converted to forests contribute to greater gains in ecosystem services related to maintenance of water resources. Therefore, were evaluated three scenarios: the actual scenario, the VSA scenario and the Forest Code scenario. The first one represents the current state of land use and provides a basis for comparison with other scenarios. The probability of saturation for this scenario was defined using the hydrological model GSSHA, allowing to delimit variables source areas and to create the VSA scenario, which simulates forest restoration in all variables source areas. Finally, was modeled the Forestry Code scenario, which simulates forest restoration of permanent preservation areas (PPA), whose function is to assess the impacts for the maintenance of water resources if it complied the Forest Code (Law nº. 4.711/65) and restored all permanent preservation areas. The results show that the restoration of the VSA, with only a 4,04% change of the total area of the watershed, it would increase in 48% water infiltration into the soil, eliminating the generation of surface runoff and consequent carry pollutants from these areas. The restoration of the PPA represents a change of 9,36% of the watershed area and promotes the recovery of dynamic expansion and contraction of the headwaters of the watershed, which ensures reduction in flow rate and delay peak flow, avoiding answers hortonian in the hydrological basin. Both scenarios provide benefits for maintenance of water resources. The permanent preservation areas have significant role in protecting water resources, protecting more than 60% of VSA and being easy delimitation. The use of topographic index as surrogate parameter correlated to the hydrological modeling of ~ 0,33, which allows use the index to an exploratory analysis, but insufficient to delineate the variables source areas.

A escassez de dados hidrológicos no Brasil é um problema recorrente em muitas regiões, principalmente em se tratando de dados hidrométricos, produção de sedimentos e qualidade da água. A pesquisa por modelos de bacias hidrográficas tem aumentado nas últimas décadas, porém, a estimativa de dados hidrossedimentológicos a partir de modelos mais sofisticados demanda de grande número de variáveis, que devem ser ajustadas para cada sistema natural, o que dificulta a sua aplicação. O objetivo principal desta tese foi avaliar diferentes ferramentas de modelagem utilizadas para a estimativa da vazão, produção de sedimentos e qualidade da água e, em particular, comparar os resultados obtidos de um modelo hidrológico físico semi-distribuído, o Soil Water Assessment Tool (SWAT) com os resultados obtidos a partir de modelos hidrológicos concentrados, com base na metodologia do número da curva de escoamento do Soil Conservation Service (SCS-CN) e no modelo Generalized Watershed Loading Function (GWLF). Buscou-se avaliar e apresentar em quais condições o uso de cada modelo deve ser recomendado, ou seja, quando o esforço necessário para executar o modelo semi-distribuído leva a melhores resultados efetivos. Em relação à simulação da vazão, os resultados dos dois modelos foram altamente influenciados pelos dados de precipitação, indicando que existem, possivelmente, falhas ou erros de medição que poderiam ter influenciado negativamente os resultados. Portanto, foi proposto aplicar o modelo semi-distribuído com dados de precipitação interpolados (DPI) de alta resolução para verificar a eficiência de seus resultados em comparação com os resultados obtidos com a utilização dos dados de precipitação observados (DPO). Para simulação da produção de sedimentos, e das concentrações de nitrogênio e fósforo, o SWAT realiza uma simulação hidrológica mais detalhada, portanto, fornece resultados ligeiramente melhores para parâmetros de qualidade da água. O uso do modelo semi-distribuído também foi ampliado para simular uma bacia hidrográfica sob a influência do reservatório, a fim de verificar a potencialidade do modelo para esse propósito. Os modelos também foram aplicados para identificar quais os impactos potenciais das mudanças no uso do solo previstas e em andamento. Os cenários estudados foram: I – cenário atual, II – cenário tendencial, com o aumento da mancha urbana e substituição do solo exposto e de parte da mata nativa por uso agrícola; III – cenário desejável, complementa o crescimento urbano tendencial com aumento de áreas de reflorestamento. As metodologias foram aplicadas em duas bacias hidrográficas localizadas no Sudeste do Brasil. A primeira é a bacia do rio Jacaré-Guaçu, incluída na Unidade de Gerenciamento de Recursos Hídricos 13 (UGRHI-13), a montante da confluência do rio das Cruzes, com uma área de 1934 km2. O segundo caso de estudo, é a bacia do rio Atibaia, inserida na UGRHI-5, tem uma área de 2817,88 km2 e abrange municípios dos estados de São Paulo e Minas Gerais. Como principal conclusão, o desempenho do modelo semi-distribuído para estimar a produção de sedimentos, e as concentrações de nitrogênio e fósforo foi ligeiramente melhor do que as simulações do modelo concentrado SCS-CN e GWLF, mas essa vantagem pode não compensar o esforço adicional de calibrá-lo e validá-lo. / The lack of hydrological data in Brazil is a recurrent problem in many regions, especially in hydrometric data, sediment yield and water quality. The research by simplified models has increased in the last decades, however, the estimation of hydrossedimentological data from these more sophisticated models demands many variables, which must be adjusted for each natural system, which makes it difficult to apply. At times it is necessary to respond quickly without much precision in the results, in these situations, simpler models with few parameters can be the solution. The objective of this research is to evaluate different modelling tools used estimate streamflow, sediments yield and nutrients loads values, and namely to compare the results obtained from a physically-based distributed hydrological model (SWAT) with the results from a lumped hydrological, the Soil Conservation Service (SCS-CN) and the Generalized Watershed Loading Function (GWLF) model. Both models use the curve number (CN) concept, determined from land use, soil hydrologic group and antecedent soil moisture conditions and were run with a daily time step. We are particularly interested in understanding under which conditions the use of each model is to be recommended, namely when does the addition effort required to run the distributed model leads to effective better results. The input variables and parameters of the lumped model are assumed constant throughout the watershed, while the SWAT model performs the hydrological analysis at a small unit level, designated as hydrological response units (HRUs), and integrates the results at a sub-basin level. In relation to the flow simulation, the results of the two models were highly influenced by the rainfall data, indicating that, possibly, faults or measurement errors could have negatively influenced the results. Therefore, it was proposed to apply the distributed model with high-resolution grids of daily precipitation to verify the efficiency of its results when compared to rainfall data. For simulation of sediment, nitrogen and phosphorus, SWAT performs a more detailed simulation and thus provides slightly better results. The use of the SWAT was also extended to simulate the influence of reservoir, in order to verify the potentiality of the model, in relation to the simulation. The models also were used to identify which are potential impacts of the ongoing land use changes. The scenarios were: I - Current scenario, II - trend scenario, with the increase of urban land and replacement of the exposed soil and part of the native forest by agricultural use; III - desirable scenario complements the trend urban growth with the replacement of exposed soil and part of the agricultural use by reforestation. The methodologies were applied on two watersheds located in the Southeast of Brazil. The first one is the Jacaré-Guaçu river basin, included in the Water Resources Management Unit 13 (UGRHI-13), upstream of Cruzes river confluence, with an area of 1934 km2. The second watershed is the Atibaia River Basin, a part of Water Resources Management Unit 5 (UGRHI-5). It has an area of 2817.88 km2 and covers municipalities of the states of São Paulo and Minas Gerais.

Les ressources en eau sont généralement considérées comme l'une des ressources naturelles les plus importantes du développement social, en particulier pour soutenir les usages domestiques, agricoles et industriels. Au cours de la dernière décennie, en raison de l'augmentation des activités humaines, telles que l'urbanisation et l'industrialisation, les impacts sociaux sur l'environnement naturel deviennent de plus en plus intenses. Par conséquent, de nos jours, les problèmes d'eau par rapport à avant deviennent plus compliqués. Pour faire face au problème complexe depuis les années 1970, les gens ont reconnu que le système d'aide à la décision (DSS) présente des avantages évidents. De plus, avec le développement de l'informatique et des techniques web, les DSS sont souvent utilisés pour appuyer la décision locale. Les décideurs pour gérer les ressources naturelles de la région en particulier les ressources en eau. La modélisation hydrologique en charge de la représentation des caractéristiques du bassin versant joue un rôle important dans le système d'aide à la décision environnementale (EDSS). Parmi les différents types de modèles, le modèle hydrologique distribué déterministe est capable de décrire l'état réel de la zone d'étude de manière plus détaillée et précise. Cependant, le seul obstacle à la limitation des applications de ce type de modèle est pointé vers le grand besoin de données demandé par sa configuration de modélisation. Dans cette étude d'évaluation de la modélisation hydrologique dans le projet AquaVar, un modèle distribué déterministe (MIKE SHE) est construit pour l'ensemble du bassin versant du Var avec moins d'informations de terrain disponibles dans la zone. Grâce à une stratégie de modélisation raisonnable, plusieurs hypothèses sont conçues pour résoudre les problèmes de données manquantes dans les intervalles de temps quotidiens et horaires. La simulation est étalonnée sur une échelle de temps quotidienne et horaire de 2008 à 2011, qui contient un événement de crue extrême en 2011. En raison des impacts des données manquantes sur les entrées et les observations du modèle, l'évaluation de l'étalonnage de la modélisation n'est pas seulement basée sur des coefficients statistiques tels que le coefficient de Nash, mais aussi des facteurs physiques (p. ex. valeurs maximales et débit total). Le modèle calibré est capable de décrire les conditions habituelles du système hydrologique varois, et représente également le phénomène inhabituel dans le bassin versant tel que les inondations et les sécheresses. Le processus de validation mis en œuvre de 2011 à 2014 dans l'intervalle de temps journalier et horaire confirme la bonne performance de la simulation dans le Var. La simulation MIKE SHE dans Var est l'une des parties principales du système de modélisation distribuée déterministe de l'EDSS d'AquaVar. Après l'étalonnage et la validation, le modèle pourrait être utilisé pour prévoir les impacts des événements météorologiques à venir (par exemple, des crues extrêmes) dans cette région et produire les conditions aux limites pour d'autres modèles distribués déterministes dans le système. La conception de l'architecture EDSS, la stratégie de modélisation et le processus d'évaluation de modélisation présentés dans cette recherche pourraient être appliqués comme un processus de travail standard pour résoudre les problèmes similaires dans d'autres régions. / Water resource is commonly considered as one of the most important natural resources in social development especially for supporting domestic, agricultural and industrial uses. During the last decade, due to the increase of human activities, such as urbanization and industrialization, the social impacts on the natural environment become more and more intensive. Therefore, recently, water problems compared to before become more complicated. To deal with the complex problem, since 1970s, started from the companies, people recognized that the Decision Support System (DSS) has obvious advantages Moreover, with the development of computer science and web techniques, the DSS are commonly applied for supporting the local decision makers to manage the region natural resources especially the water resources. The hydrological modelling in charge of representing the catchment characteristics plays significant role in the Environment Decision Support System (EDSS). Among different kinds of models, the deterministic distributed hydrological model is able to describe the real condition of the study area in more detail and accurate way. However, the only obstacle to limit the applications of this kind of model is pointed to the large data requirement requested by its modelling set up. In this study of hydrological modelling assessment in AquaVar project, one deterministic distributed model (MIKE SHE) is built for the whole Var catchment with less field information available in the area. Through one reasonable modelling strategy, several hypothesises are conceived to solve the missing data problems within daily and hourly time intervals. The simulation is calibrated in both daily and hourly time scale from 2008 to 2011, which contains one extreme flood event at 2011. Due to the impacts of missing data on both model inputs and observations, the evaluation of modelling calibration is not only based on the statistic coefficients such as Nash coefficient, but also effected by some physical factors (e.g. peak values and total discharge). The calibrated model is able to describe usual condition of Var hydrological system, and also represent the unusual phenomenon in the catchment such as flood and drought event. The validation process implemented from 2011 to 2014 within both daily and hourly time interval further proves the good performance of the simulation in Var. The MIKE SHE simulation in Var is one of the main parts of the deterministic distributed modelling system in the EDSS of AquaVar. After the calibration and validation, the model could be able to use for forecasting the impacts of coming meteorological events (e.g. extreme flood) in this region and producing the boundary conditions for other deterministic distributed models in the system. The design of the EDSS architecture, modelling strategy and modelling evaluation process presented in this research could be applied as one standard working process for solving the similar problems in other region.