A previsão com antecedência de curto e médio prazo da vazão em diferentes locais de bacias hidrográficas geralmente é benéfica ao permitir uma resposta antecipada a eventos hidrológicos como cheias, e a operação mais eficiente de obras hidráulicas como barragens. Atualmente, cada vez mais se tem reconhecida a importância da inclusão das incertezas na geração de previsões hidrológicas, feita através de previsões por conjunto (ou ensemble). Neste tipo de previsão são feitas inferências sobre cenários possíveis futuros através da consideração de, por exemplo, múltiplas trajetórias possíveis dos estados da atmosfera, que ao serem aplicadas em um modelo hidrológico resultam em distribuições de trajetórias de vazões. Várias aplicações recentes tem sugerido a possibilidade da tomada de melhores decisões para o futuro quando fundamentadas neste conhecimento das incertezas. No Brasil, um uso predominante de previsões hidrológicas é na operação de reservatórios de usinas hidroelétricas, que constituem a maior fonte de energia do País. As previsões nestes casos são utilizadas tanto para a operação normal do sistema nacional, feita de forma centralizada, como para a operação local das usinas em casos de cheia, onde é necessário velar pela segurança da barragem e pela atenuação de impactos a jusante e/ou a montante dos barramentos. Contudo, a forma como as previsões de vazão são geradas e usadas no cenário nacional não são baseadas em técnicas de previsão por conjunto, onde a própria pesquisa local sobre os potenciais benefícios destas formas de geração de previsões pode ser classificada como incipiente. Assim, o objetivo principal deste estudo é investigar benefícios em termos de qualidade e persistência do uso de previsões de afluência por conjunto para reservatórios em grandes bacias hidrográficas brasileiras em curto e médio prazo. Para cumprir com estes objetivos foram propostos ensaios de previsão de vazão por conjunto para três bacias hidrográficas brasileiras: Alto São Francisco, Doce, e Tocantins. O modelo hidrológico MGBIPH foi aplicado para a execução de previsões retroativas (hindcastings) alimentado por dados de chuva provindos de três diferentes sistemas de previsão meteorológica por conjunto (ECMWF-pf, GEFS, e CPTEC-pf) e mais uma previsão determinística de referência (ECMWF-fc), todos disponíveis na base de dados denominada TIGGE. De uma forma geral, as previsões por conjunto, principalmente dos modelos ECMWF-pf e GEFS, se mostraram superiores em termos de qualidade e persistência na comparação com a previsão determinística. E o uso do Super Ensemble, formado pela combinação dos três modelos mostrou-se uma alternativa entre as melhores testadas, principalmente por ser também uma estratégia robusta. Para uma estratégia de defesa contra cheias, as análises indicam benefícios para a consideração dos membros superiores dos conjuntos, e já para uma estratégia de operação de reservatórios essa visão pode ser mais focada em vazões médias, as quais podem conter algum viés. Já a comparação entre as bacias mostrou que resultados não podem ser transportados de um local para outro, apesar de estarem no mesmo clima. Em relação às incertezas, notou-se que a modelagem hidrológica amplifica as incertezas na previsão na medida em que os estados do modelo da grande bacia evoluem. De qualquer forma, acreditase que os resultados mostram que mais investimentos em técnicas de previsão por conjunto e suas aplicações são um caminho a ser seguido para ampliar os benefícios do uso de previsões hidrológicas. / Short to medium-term streamflow forecasts at different locations in a watershed are generally beneficial to allow an early response to hydrological events such as floods, and more efficient operation of hydraulic structures such as dams. Currently, an increasingly recognition has been given to the including of uncertainties in the generation of hydrological forecasts, what is usually made producting the so called Ensemble Forecast. In this kind of forecast inferences about possible future scenarios are made by considering, for example, multiple possible trajectories of the atmospheric states, which when applied to a hydrological model results in streamflow trajectories distributions. Several recent applications suggested the possibility of better decisions making based on this uncertainties knowledge. In Brazil, a predominant use of hydrological forecasts is for hydropower reservoirs operation, which are the largest source of energy for the country. Future inflows estimates in these cases are used either for normal operation of the national system, done centrally, as for local operation of the dams in cases of floods, where it is necessary to ensure the dam safety and the mitigation of impacts downstream and/or upstream. However, the currently technique used to generate the operational forecasts is not based on ensembles, and the Brazilian local research on the potential benefits of these forms of forecasts production can be classified as incipient. Thus, the aim of this Thesis was to investigate benefits in terms of quality and persistence of using short to medium-term ensemble inflow forecast for reservoirs located on large Brazilian river basins. To fulfill these objectives streamflow forecast tests have been proposed for three Brazilian river basins: Alto San Francisco, Doce, and Tocantins. The hydrological model MGB-IPH was applied to perform retroactive forecasts (hindcastings) within a period of tests forced by rainfall data from three different ensemble weather forecasting systems (ECMWFpf, GEFs, and CPTEC-pf) and a deterministic prediction reference (ECMWF-fc), all available in the TIGGE archive. In general, the ensemble predictions, especially from ECMWF-pf and GEFs models, were superior in quality and persistence in comparison to the deterministic reference. And the use of the Super ensemble composed by the combination of the three ensemble models was shown to be among the results, and also a robust strategy. For a flood protection strategy, the analyzes indicate benefits in the consideration of the upper bounds of the ensembles, and for a reservoir operation strategy that vision could be more focused on average flow rates, which may contain some verified bias. The comparison between the basins results showed that one can not transport results and considerations from one location to another, despite being in the same climate region. Regarding uncertainties, it was noted that hydrological modeling amplifies the uncertainty in the forecasts, in some extent due to the large basin evolution of state variables. Anyway, it is believed that more investments in ensemble forecasting techniques and its applications shown to be a good way to make better use of forecasts.

Neste trabalho avaliou-se o impacto de possíveis cenários de mudanças climáticas sobre os recursos hídricos na bacia do Rio Ibicuí (35,158.43 Km².) afluente da margem esquerda do rio Uruguai em território brasileiro. Os impactos de mudanças climáticas na bacia do Rio Ibicuí foram avaliados através do uso de um modelo hidrológico, analises de sensibilidade de vazão e cenários de mudanças climáticas. As analises de sensibilidade mostraram que as vazões mínimas são menos sensíveis a mudanças de precipitação do às médias e máximas. Cenários de mudanças climáticas para o ano de 2050 (janela de 30 anos centrada em 2050) foram obtidos através do gerador de cenários MAGICC/SCENGEN, que considera resultados de vinte modelos climáticos globais (GCM’s) e três cenários de emissão de gases de efeito estufa. A totalidade dos resultados indicaram aumento da temperatura, porém divergências quanto aos resultados de referentes a precipitação. Alguns dos GCM’s indicaram diminuição da precipitação média anual enquanto outros indicaram o aumento desta variável. Os resultados mensais de modificação na temperatura e precipitação média previstos para 2050 na região da bacia do Ibicuí, obtidos pelos vinte GCMs para cada um dos três cenários, foram utilizados para perturbar as séries observadas e simular o impacto sobre o regime hidrológico através do modelo MGB-IPH. As incertezas relacionadas às projeções de anomalias de precipitação e temperatura, previstas pelo conjunto de 20 GCM’s, foram amplificadas ao avaliar o impacto de mudanças climáticas no regime de vazões. / The impact of possible climate change scenarios on water resources in the Ibicui River basin was assessment in this work. The Ibicui River (35,158.43 Km²) is tributary of Uruguay River and it is located on border of southern of Brazil. The impacts of climate change on the Ibicui River basin were evaluated using a large scale distribuited hydrological model, sensitivity analyses and climate change scenarios. Sensitivity analyses showed that minimum discharges in the Ibicui River are less sensitive to change in mean precipitation when compared to maximum and mean discharge. Climate change scenarios for 2050 (30-years time interval centered in 2050) was obtained through a climate scenario generator, MAGICC/SCENGEN, considering the results from twenty general circulation models (GCM’s) and three emission scenarios of greenhouse gas emissions. Results indicate an increase in the annual mean temperature, but divergences about precipitation. Some GCM’s indicated increase in the annual mean precipitation while others indicated decrease. The hydrological impact of all projections of climate change for 2050 was simulated using the MGB-IPH model, by perturbing the observed times series of temperature and precipitation according to relative changes projected by GMC’s. The uncertainties in projected climate changes are amplified in the hydrological results.

Na maior parte dos ecossistemas aquáticos a respiração excede a produção primária bruta autóctone, acarretando uma produção líquida de ecossistema negativa. Estudos recentes atribuem essa condição a processos de degradação de matéria orgânica alóctone, portanto o ciclo do carbono em corpos de água interiores deve estar pareado com o aporte de carbono orgânico originado na bacia hidrográfica. Este trabalho contribui para a melhor compreensão dos processos atuantes no ciclo de carbono em bacias hidrográficas, por meio de monitoramento de dados de campo, desenvolvimento e aplicação de modelagem matemática e simulação numérica. O estudo foi realizado utilizando dados de monitoramento na bacia hidrográfica do Rio Ijuí localizada no planalto meridional gaúcho. A exportação fluvial de carbono orgânico e inorgânico foi estimada a partir de dados de vazão e concentração. Um modelo baseado em processos para simulação da dinâmica de carbono, MGB-IPH-C, foi desenvolvido e acoplado ao modelo hidrológico MGB-IPH. O modelo hidrológico foi ajustado em diversos pontos de controle na bacia hidrográfica do Ijuí obtendo-se bons resultados, principalmente para as bacias de maior porte (>1000 km2). O modelo de carbono foi avaliado qualitativamente considerando a representação de processos conceituais e, quantitativamente, pela comparação das concentrações e fluxos simulados em relação aos obtidos pelos dados do monitoramento. Não foi possível identificar associações diretas entre as concentrações de carbono inorgânico ou orgânico e vazão, com base nos dados medidos em campo. As cargas médias de carbono nas bacias estudadas apresentaram valores abaixo da média global, na ordem de 25-40 kg.ha-1.ano-1 e 8-10 kg.ha-1.ano-1, para as frações inorgânica e orgânica, respectivamente. O MGB-IPH-C representou processos conceituais esperados, em especial, a acumulação no solo e o efeito da lavagem das águas sobre a concentração dos rios. Foi possível obter bons ajustes em escala anual para as cargas e concentrações médias de carbono na bacia de estudo. A simulação da dinâmica de carbono em ecossistemas aquáticos em pareamento com a bacia hidrográfica utilizando modelos conceituais determinísticos contribui para o entendimento dos processos operantes nesses sistemas e deve ser complementada por meio de análise de dados de monitoramento, em freqüência adequada à escala, com métodos empíricos. / In most aquatic ecosystems respiration exceeds autochtonous gross primary production leading to a negative net ecosystem production. Recent studies attributes this condition to allochtonous organic matter degradation processes, so the inland water carbon cycle should be linked to the input of organic carbon from the catchment. This work contributes to a better comprehension of processes operating in the carbon cycle in river basins, throughout development and application of mathematical modeling and numerical simulation. The study was conducted using data of the Ijuí river watershed, located in the Planalto Meridional Gaúcho. Fluvial exports of organic and inorganic carbon were estimated from data measured in field. A process-based model for carbon dynamics simulation, MGB-IPH-C, was developed and coupled to the hydrological model MGB-IPH. The hydrological model was calibrated to various control points in the Ijui river basin with good results, especially in larger subwatersheds (>1000 km2). The carbon model was evaluated considering the representation of carbon dynamics conceptual processes and by comparison of observed carbon concentrations and export rates obtained by simulation and monitoring data. The estimates of annual export of carbon in the study area were below the global average, in magnitude of 25-40 kg/ha.yr and 8-10 kg/ha.yr for inorganic and organic carbon, respectively. The proposed carbon model, MGB-IPH-C, was able to simulate expected conceptual processes, in particular, the build-up on soil and the effect of wash-off on carbon concentration in river reaches. It was possible to obtain good fits for annual average carbon fluvial export rates and concentrations. The simulation of carbon dynamics in inland waters coupled with the watershed using conceptual deterministic models contributes to the understanding of processes operating on these systems and may be complemented throughout analysis of field data, at frequency appropriated to the scale, with empirical methods.

A aplicação dos modelos conceituais e semi-conceituais de transformação chuva-vazão depende de uma calibração prévia de seus parâmetros em locais com dados de vazões disponíveis e que guarde certa semelhança hidrológica com o local da aplicação. Para essa transferência de informações assumem-se algumas hipóteses que, em geral, não podem ser aferidas com dados reais, próprios de cada local, resultando em grandes incertezas sobre os resultados obtidos. Além do mais, a pouca quantidade de informações hidrológicas disponível impõe severas restrições à aplicabilidade dos modelos chuva-vazão, especialmente quando se necessita obter séries em escalas diárias ou mensais. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e validação de uma técnica de regionalização de parâmetros de modelos chuva-vazão baseado no uso de algoritmos genéticos e redes neurais, tendo o modelo SMAP – Soil Moisture Accounting Procedure (Lopes et al, 1981) mensal como objeto de avaliação. São empregados dados de 41 bacias hidrográficas localizadas no estado da Paraíba, no semi-árido do Nordeste brasileiro, entre as quais, 14 são áreas controladas por estações fluviométricas e 27 por reservatórios fluviais. Para todas as bacias foram determinados 32 parâmetros físicos e climatológicos, sendo seis características das medidas lineares das bacias, três da forma, nove da rede de drenagem, sete do relevo, duas da capacidade de escoamento, três das classes de solos e duas da climatologia. Uma análise dos dados disponíveis é feita em duas etapas: a primeira, consiste na avaliação da importância de cada bacia no conjunto dos dados, por meio da aplicação da técnica de aprendizado hierárquico não supervisionado; a segunda, consiste na seleção de atributos (características das bacias) usando técnicas de aprendizado supervisionado, a qual elimina dados redundantes e irrelevantes responsáveis pela diminuição da precisão e do entendimento sobre as hipóteses usadas quando as relações entre os parâmetros do modelo SMAP e as características são formuladas. O modelo SMAP é calibrado de forma automática através do algoritmo SCE-UA (Shuffled Complex Evolution – University of Arizona), conforme Diniz (1994). Os parâmetros obtidos são relacionados às características físicas e climáticas das bacias hidrográficas através de redes neurais artificiais do tipo Perceptrom Múltiplas Camadas – MLP. / To use a conceptual or semi-conceptual hydrological rainfall–runoff model on a drainage basin without flow records, it must first have been calibrated at one or more sites where flow data are available and in a drainage basin having characteristics similar to those of the basin of interest. The transformation of rainfall into runoff needs some assumptions in both calibration and application sites that cannot be verified, leading to uncertainties. Moreover, the limited availability of hydrological data imposes some restriction on the application of rainfall-runoff models, particularly when the goal is to generate daily or monthly flow series. This paper describes the development and validation of a parameter regionalization technique based on the use of genetic algorithms and artificial neural networks. The rainfall– runoff model used is the monthly version of the SMAP model. Data from 41 drainage basins in the Paraíba State of the semi-arid north-east of Brazil are used, 14 of which have a streamflow gauge station whilst 27 contain a dam at which reservoir levels are recorded. In each drainage basin, 32 physical and climatic attributes are calculated. Six of these describe linear dimensions of the basin, three are shape parameters, nine characterize the drainage network, seven describes the relief, two the run-off capacity, three the soil class and two the climatic conditions. The analysis of the available data is made in two phases. The first consists of evaluating the importance of each basin in the whole ensemble, by means of a non-supervised hierarchical learning procedure, and the second consists of selecting attributes using a supervised learning procedure which eliminates redundancies and less important data that diminish the precision and understanding of the assumptions used when relationships between parameters and basin characteristics are formulated. The SMAP model is calibrated in an automatic mode through SCE-UA algorithm, according to Diniz (1994). The acquired parameters are related do the physical and climate characteristics of the drainage basins through MLP – Multiple Layers Perceptrons artificial neural network.

A modelagem matemática está presente na pratica hidrológica como uma das principais ferramentas utilizadas em projetos de engenharia e avaliações ambientais. Particularmente, os modelos hidrológicos de larga escala têm sido aplicados em avaliações de impactos de mudança da cobertura vegetal e variabilidade climática, e em sistemas de previsão. Entre as limitações destes modelos está a incapacidade de representar o escoamento em áreas muito planas, com extensas áreas inundáveis e efeitos de remanso como nos rios amazônicos. Assim, apresenta-se neste trabalho uma proposta metodológica para simulação hidrológica e hidrodinâmica integrada em grandes bacias. O modelo é baseado no modelo hidrológico MGB-IPH (Collischonn, 2001), no modelo hidrodinâmico 1D IPH-IV (Tucci, 1978) e em procedimentos para extração de parâmetros para o modelo hidrodinâmico principalmente de Modelos Digitais de Elevação (MDEs) a fim de suprir a falta de dados detalhada das calhas fluviais e planícies de inundação. Propõem-se também uma metodologia simplificada para simulação das áreas inundadas. A técnica proposta é na realidade um aperfeiçoamento do modelo MGB-IPH. A metodologia desenvolvida é avaliada através de um estudo de caso na bacia do rio Solimões, que possui cerca de 2.221.990 km2 e é o principal afluente do rio Amazonas. Análises comparativas entre vazões observadas e simuladas em 18 postos fluviométricos mostram a superioridade da metodologia proposta em relação a métodos de propagação de vazões simplificados - representado pelo modelo Muskingum Cunge (MC). Os hidrogramas simulados com o modelo MC são adiantados e com picos erroneamente acentuados. Além disso, conforme a análise dos resultados em 35 postos fluviométricos, o modelo é capaz de fornecer resultados satisfatórios de variação dos níveis d’água. As áreas inundadas simuladas são comparadas com estimativas via sensoriamento remoto de Hess et al (2003) em duas datas distintas, representativas dos períodos de cheia e estiagem e o desempenho do modelo MGB-IPH é satisfatório. Verifica-se que a influência da variação sazonal das áreas alagadas sobre o balanço hídrico não é significativa na bacia do Solimões. Adicionalmente, de acordo com as simulações, o armazenamento na planície de inundação e o termo de pressão são ambos importantes na representação do escoamento nos rios amazônicos visto que parte do armazenamento é devido ao represamento de afluentes de grandes rios. Por fim, o modelo fornece melhores simulações de vazão e resultados adicionais de níveis d’água e áreas inundadas. Assim, espera-se que este possa ser utilizado na representação mais coerente de impactos de mudanças do uso do solo, variabilidade climática e reservatórios, simulação de outros processos como fluxos de sedimentos e qualidade d’água, e em sistemas de previsão hidrológica. / The mathematical modeling is present in the hydrological practice as one of the main tools used in engineering projects and environmental assessments. Particularly, the large scale hydrological models have been applied in land use and climate variability impact assessments and in forecast systems. Among the restrictions of these models is partial representation of the hydrodynamics in rivers with large floodplains, low slope and significant backwater effects, as the Amazon rivers. Considering this, an integrated hydrological e hydrodynamic modeling approach for large watersheds is presented. The model is based on the MGB-IPH hydrological model (Collischonn, 2001), the IPH IV 1D hydrodynamic model (Tucci, 1978) and DEM processing procedures for hydrodynamic model parameters extraction due limited river and floodplain detailed data. It is also proposed a simplified methodology for simulation of the flooded areas. The proposed technique is actually an improvement of the MGB-IPH model. The model is evaluated on a case study in the Solimões river basin (2,221,990 km2), the main tributary of the Amazon River. Analysis of simulated and observed discharge of 18 gauge stations show the superiority of the proposed methodology if compared to simplified flow routing methods - represented by the Muskingum Cunge model (MC). The flood waves simulated with the MC model are advanced and have wrongly pronounced peaks. Through the analysis of simulated and observed water levels in 35 gauge stations, it is shown that the model is able to represent water levels variations. The simulated flooded areas are compared with remote sensing estimates of Hess et al (2003) on two time intervals, representing high and low water periods, and the performance of the MGB-IPH model was satisfactory. It is found that the influence of seasonal variation of the flooded areas on the water balance is not significant on the Solimões river basin. Additionally, according to simulations, both floodplain storage and pressure term are important on the hydrodynamics of the Amazon rivers because part of the storage is due backwater effects and storage on floodplain of the major rivers tributaries. Finally, the model provides improved flow simulations and additional outputs - water levels and flooded areas. Thus, it is expected that it can be used in more consistent representation of land use, climate variability and dam impacts, in simulation of other processes such sediment and water quality, and in hydrological forecasting systems.

A aplicação de modelos hidrológicos vem sendo bastante utilizada como apoio à tomada de decisão no planejamento dos recursos hídricos. Tendo em vista que os dados que servem de entrada para esses modelos estão sujeitos a erros diversos, o presente estudo teve o intuito de contribuir com o conhecimento do impacto desses erros no desempenho do modelo e na estimativa de seus parâmetros. O modelo analisado foi o IPH II fazendo uso do programa computacional WIN_IPH2. Entendendo que a avaliação da sensibilidade ainda é uma área que requer mais estudos, o presente trabalho é focado na utilização das análises de sensibilidade estática e dinâmica. Para isso foram geradas diversas séries temporais de dados de entradas do modelo hidrológico obtidas pela perturbação da série de dados observados. A perturbação foi representada por erros aleatórios (seguindo uma distribuição normal ou uniforme) ou sistemáticos incorporados ás séries temporais das variáveis: precipitação e evapotranspiração. Posteriormente, as análises de sensibilidade estática e dinâmica foram executadas. Para efetuar o acompanhamento da interferência dos erros, na eficiência do modelo, foi feita a avaliação dos resultados obtidos com a aplicação do modelo WIN_IPH2 para diferentes medidas de desempenho, e verificado o impacto dos erros nos dados de entrada no desempenho do modelo (sensibilidade estática) e no desempenho do modelo e na estimativa dos parâmetros (sensibilidade dinâmica). Na análise de sensibilidade estática verificou-se o decaimento mais acentuado da eficiência do modelo, em comparação com a análise de sensibilidade dinâmica, onde o modelo consegue contornar os erros nos dados de entrada com a alteração dos valores dos parâmetros. Por fim, o presente estudo confirmou as conclusões obtidas em estudos anteriores: Oudin et al. (2006), Andréassian et al. (2004), Kavetski et al. (2003). Além disso, o presente estudo apontou para outros fatores, na medida em que, observa-se junto à tendência do desempenho do modelo cair quando a intensidade do erro gerado é elevada, a importância de avaliar o possível comprometimento de dados em eventos extremos, uma vez que, nessa situação o desempenho do modelo passa a ser afetado de forma mais acentuada. / The hydrologic models had been used to support the decision making in water resources management. Since the input data of those models are subject to several kinds of errors, this study aimed to assess how this errors affect the model performance and the estimate of its parameters. The hydrologic model IPH II was used. Perceiving that the sensitivity analysis is still a field that requires further knowledge, this study was focused in the use of the dynamic and the static sensitivity procedures. In this sense, several time series of input data were obtained through the perturbations of an observed time serie. The perturbation was represented by the addition of random errors (with a normal or uniform distribution) or systematic errors to the observed time series of evapotranspiration and precipitation. Then, the static and dynamic sensibility analysis were performed. The effect of input data errors was assessed for several calibration processes of the IPH II using several performance measures. Thus, modification of the model performance (static sensitivity analysis) and model performance and parameter estimation (dynamic sensitivity analysis) were estimated. In the static sensitivity analysis it was found a most pronounced decay of the model efficiency in comparison with the dynamic sensitivity analysis, where the model can circumvent the errors in the input data with modification of the optimum parameter values. Finally, this study confirmed the conclusions of other previous studies as Oudin et al. (2006), Andréassian et al. (2004), Kavetski et al. (2003). In addition this study found other factors, as was observed that if the intensity of the error is high in an extreme event of precipitation, it reduced the model performance more than when it is low, in spite of the time series of errors have the same statistics.

A modelagem matemática é uma valiosa ferramenta para avaliação de alterações da qualidade da água causadas por descargas diversas. Para a simulação de bacias hidrográficas a integração com sistemas de informações geográficas (SIG) é muito útil para a descrição detalhada e automatizada da região de interesse, e para a interpretação dos resultados. Neste contexto de desenvolvimento de soluções integradas que o presente trabalho tem como objetivo contribuir para a melhoria no gerenciamento da qualidade da água em bacias hidrográficas, onde é apresentado o desenvolvimento de um modelo acoplado com SIG, aplicável para condições de baixa disponibilidade de dados, denominado SIAQUA-IPH. Adotou-se para o modelo a utilização de soluções analíticas da equação de advecção-dispersão para simular o impacto de lançamentos com duração variável em cursos de água, incluindo lançamentos instantâneos, ou de duração curta. No modelo é adotado um esquema de convolução dos polutogramas para a representação de lançamentos múltiplos e de confluências existentes na bacia. Ainda, para a simulação de constituintes comumente encontrados em esgotos (DBO, OD, N, P e Coliformes) foi adotada a utilização de soluções conhecidas, como a equação de Streeter-Phelps. Soluções analíticas foram priorizadas visando diminuir restrições relacionadas à capacidade computacional, tempo de simulação e outros erros numéricos. A topologia adotada na concepção do modelo consiste na subdivisão da bacia hidrográfica em pequenos trechos de rio, que pode ser obtida automaticamente através de ferramentas de geoprocessamento, o que caracteriza o primeiro fator de integração com SIG desenvolvida. Esta é a mesma topologia utilizada pelo modelo MGB-IPH, por isto os resultados do modelo hidrológico podem ser utilizados diretamente pelo modelo de qualidade. Como segundo fator de integração com SIG, o SIAQUA-IPH foi desenvolvido plenamente acoplado à plataforma MapWindow GIS®, de uso livre, onde o SIG é a forma como o usuário interage com o modelo, inserido os dados de entrada e visualizando os resultados. Para a calibração do SIAQUA-IPH adotou-se a possibilidade do uso do algoritmo de calibração automática SIMPLEX de Nelder-Mead. Para o cálculo do coeficiente de dispersão longitudinal foi adotado o uso de formulações práticas, selecionadas a partir de uma matriz de seleção desenvolvida. Testes hipotéticos de funcionamento do modelo nas bacias do rio Ijuí (RS) e do rio São Francisco (MG) evidenciaram um desempenho pleno de todas as soluções adotadas. Em um terceiro ensaio de representação de dados de traçadores, obtidos de Rigo (1992), foram obtidos resultados satisfatórios em que as diferenças computadas servem de referência para usuários sobre as incertezas dos métodos utilizados. Espera-se que as soluções adotadas no desenvolvimento do SIAQUA-IPH sirvam para várias aplicações, incluindo estudos prévios de impacto, avaliações posteriores de despejos ocorridos, e até suporte à decisão em tempo real, como no caso de derramamentos acidentais. / Mathematical modeling is a valuable tool to assess water quality changes produced by different kinds of discharges. For watershed simulations, the coupling with Geographic Information Systems (GIS) is very useful for automated and detailed description of the studied region and for helping results interpretation. On this context of integrated solutions development that this research aims to contribute for river basins water quality management improving, where is exposed the development of a model coupled with GIS and applicable to low data availability conditions, called SIAQUA-IPH. In the model was adopted the use of advection-dispersion equation analytical solutions to simulate the impacts of various duration discharges into rivers. A polutograph convolution scheme is adopted for representing multiple spills and confluences in the basin. For constituents commonly found in sewage simulation (BOD, OD, N, P and Coliforms) the model also allows the use of classical solutions, such as the Streeter-Phelps equation. The model is designed to use primarily analytical solutions aiming to reduce constraints related to computational capacity, simulation time and others numerical issues. The topology adopted in the model consists in the hydrography discretization into small river reaches, which can be obtained automatically through geoprocessing tools, which is the primary factor of developed GIS coupling. Also, as this is the same topology used by the MGB-IPH model, the hydrological model results can be used directly by the water quality model. As a second GIS integration factor, SIAQUA-IPH was developed fully coupled to MapWindow GIS ® platform, free distributed, where the GIS is the way the user interacts with the model, enters the input information and access results. Calibration of SIAQUA-IPH can be performed through Nelder-Mead SIMPLEX automatic calibration algorithm. For the longitudinal dispersion coefficients estimation was adopted the use of empirical formulations, selected through a selection matrix developed. Tests of hypothetical releases in the Ijuí (RS) and in the São Francisco (MG) river basins were carried out, which showed a full performance of all the adopted solutions. Also, a tracer data representation test was conducted using data showed by Rigo (1992) in the Paraíba do Sul River (RJ), where obtained results were considered satisfactory and computed differences can be used as a guide for uncertainty of the adopted methods. It is expected that the SIAQUA-IPH serves for various applications, including prior studies of pollutants releases, later evaluations of discharges and to support real-time decision in case of accidental spills.

Os efeitos das alterações de uso da terra na hidrologia das bacias hidrográficas têm sido, ao longo dos anos, amplamente discutidos para pequenas bacias experimentais. O uso de modelos hidrológicos para descrever esse tipo de processo tem se tornado promissor no que tange o estudo de grandes bacias. Sendo assim, o objetivo deste trabalho é avaliar uma metodologia para analisar o impacto das mudanças de uso da terra sobre o regime hidrológico em bacias hidrográficas de grande escala. Este estudo foi realizado por meio de simulação. Para isso foi utilizado um modelo hidrológico distribuído de base física, o Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH). Para realizar simulações de impactos das mudanças de uso da terra, inicialmente avaliou-se a capacidade do modelo MGB-IPH de captar as alterações produzidas pelas mudanças de uso. A análise de sensibilidade mostrou que a vazão gerada na bacia é inversamente proporcional aos parâmetros de índice de área foliar (IAF) e de altura média da vegetação (h), uma vez que quanto maior o IAF, mais interceptação ocorrerá na bacia e, quanto maior o valor de h, mais facilidade haverá nas trocas aerodinâmicas, ambos favorecendo o processo de evaporação. Já em relação aos parâmetros albedo (a) e resistência superficial (rs), a vazão gerada é diretamente proporcional, pois quanto maior o a maior a energia refletida pela superfície e, consequentemente menos energia estará disponível para o processo de evaporação. Em relação à rs, o seu aumento implica em uma menor perda por transpiração, disponibilizando mais água para gerar escoamento. As simulações de análise de sensibilidade mostraram que o MGB-IPH reproduz, de forma coerente, o comportamento médio das bacias submetidas ao desmatamento em um grande número de estudos experimentais. Assim, avaliou-se os impactos das mudanças de uso da terra no regime hidrológico em bacias de grande escala através de um estudo de caso. Este estudo de caso foi realizado na Bacia Hidrográfica do Rio Paraná. Os resultados das simulações mostraram que o desmatamento possui forte influência sobre as variáveis hidrológicas, como interceptação, evapotranspiração e vazão. Devido ao desmatamento foram verificadas reduções na interceptação e na evapotranspiração ao longo dos anos. Em relação a vazão, verificou-se que as simulações foram capaz de captar a não estacionariedade existente nas vazões observadas. Além disso, foi possível verificar que a vegetação pode ser associada a 39% dos incrementos observados na vazão média de longo termo, quando comparados os períodos anterior e posterior a 1970 na Bacia Hidrográfica do Rio Paraná. Já as variações na precipitação são responsáveis por 61% dos impactos na vazão média. Em relação às vazões extremas foram verificados incrementos, sendo eles mais expressivos nas vazões mínimas do que nas vazões máxima. Assim, pode-se afirmar que a metodologia proposta é consistente com os efeitos observados na bacia e com os resultados de estudos experimentais realizados em diferentes regiões do mundo. / The effects of land use change on the hydrology of watersheds have been widely discussed during several years in small basins. The hydrological models have been promising for describe the effects of land use change in hydrology in large basins. Thus, the aim of this study was to evaluate a methodology to study the impact of land use changes on the hydrological processes in large basins. This study was conducted by hydrological simulation. For this, a physically based distributed hydrological model, Modelo de Grandes Bacias (MGB-IPH), was used. The ability of MGB-IPH model for study the effects of land-use change in hydrology processes was first analyzed. The results of sensibility analysis showed that the flow generated in the basin is inversely proportional to the parameters of leaf area index (LAI) and average vegetation height (h), since the higher the LAI more interception, and the higher the h easier will be the aerodynamic changes, both favoring the evaporation process . The flow is directly proportional to the parameters albedo (a) and surface resistance (rs), since the greater the a, more energy reflected by the surface, and consequently less energy is available for the evaporation process. The increasing in rs parameter implies a smaller loss by transpiration, and then more runoff is generated. The sensibility analysis showed that the MGB-IPH reproduces consistently, the average behavior of the basins subjected to deforestation on a large number of experimental studies. Thus, we evaluated the impacts of land use changes on the hydrological regime in large-scale basins by a case study. This case study was conducted in the Paraná River Basin. The simulation results showed that deforestation has a strong influence by hydrological variables, such as interception, evapotranspiration and flow. Due to deforestation were observed interception and evapotranspiration reduction over the years. It was found that the simulations were able to capture the non-stationarity in the observed streamflows. Furthermore, we found that 39% of the observed increase in average flow of long term is due to vegetation change, when comparing the periods before and after 1970 in the Paraná River Basin, while the 61% is due precipitation changes. Increments were observed in extreme flows. These increments were more evident at low flows than the maximum flow. Thus, it can be stated that the proposed methodology is consistent with the effects observed in the Rio Paraná basin and with the results of experimental studies conducted in different regions of the world.

Made available in DSpace on 2015-09-25T12:20:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PDF - Raquel da Silva Cordeiro Parte 1.pdf: 2369546 bytes, checksum: fd096a8371e63850bd75f4f2df5ee645 (MD5) Previous issue date: 2012-02-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O presente estudo foi desenvolvido entre os anos de 2007 a 2010, vinculado ao Laboratório de Ecologia Aquática da UEPB e com o suporte logístico do programa de Pesquisas Ecológicas de Longa Duração PELD- caatinga. A dissertação se inicia com uma introdução geral acerca do assunto abordado e apresentam as hipóteses e os objetivos que orientaram a execução deste trabalho. A seguir apresenta o estado da arte, dividido em dois tópicos: Considerações teóricas da comunidade de algas perifiticas e o segundo tópico traz um breve histórico de estudos com a comunidade de algas perifiticas no Brasil e na Paraíba. Logo em seguida são descritos os materiais e métodos empregados nos dois capítulos confeccionados no estudo. O primeiro capítulo retrata a estrutura e a dinâmica da comunidade de algas perifíticas frente aos regimes hidrológicos de estiagem e chuva em cinco ecossistemas lênticos e lóticos do semiárido brasileiro. O artigo foi formatado de acordo com as normas da Revista Brasileira de Botânica (Anexo I). O segundo capítulo aborda a estabilidade da comunidade de algas perifiticas sob os regimes hidrológicos de estiagem e chuva em cinco ecossistemas lênticos e lóticos do semiárido brasileiro. Este artigo foi formatado segundo as normas da revista Limnology (Anexo II). Desta forma, o presente trabalho tem como objetivo principal contribuir para o entendimento da estrutura e dinâmica da comunidade de algas perifiticas em ecossistemas aquáticos no semiárido brasileiro, colaborando na redução da lacuna existente na dinâmica desta comunidade nos ambientes aquáticos das regiões semiáridas do mundo e especialmente no Brasil.

Submitted by Neusa Fagundes (neusa.fagundes@unioeste.br) on 2017-09-06T14:13:03Z No. of bitstreams: 1 Cintia_Krebs2016.pdf: 1035052 bytes, checksum: 9a3c2d6df28ce0d1763d174bf9144ac0 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-06T14:13:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cintia_Krebs2016.pdf: 1035052 bytes, checksum: 9a3c2d6df28ce0d1763d174bf9144ac0 (MD5) Previous issue date: 2016-08-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The instream flows are also known as environmental flow, residual flow, remaining flow among other designations that correspond to the amount of water that must remain into river bed to meet survival and preservation needs of the aquatic ecosystem. Thus, this study aimed at carrying out a comparative analysis among the different hydrological methods in order to obtain the water flow such as: method of water flow base, method of Q90 and Q95 duration curve, method of minimum annual flows of 7 days, and the method of the average minimum flow of 7 days with 10-year reoccurrence period (Q7,10), in Piquiri river basin. There was a comparison among those methods as well as for each station. The largest estimates of flow rates among the methods were obtained with the base water flow method and the lowest values were recorded by the Q7,10 method. In most stations, the method of base water flow was the highest, except at the station (64776100), whose Q90 flow value was superior as well as at the station (64785000), whose highest value of flow was recorded in the annual average of minimum stream flow of seven days. For all stations, the Q7,10 method showed the lowest values of environmental flow, which is a restrictive estimate when compared to the grantable maximum limit in Paraná state. / As vazões ecológicas são denominadas também como vazão ambiental, vazão residual e vazão remanescente, entre outras denominações que correspondem à quantidade de água que deve permanecer no leito do rio para atender às necessidades de sobrevivência e preservação do ecossistema aquático. Nesse sentido, estabeleceu-se como objetivo deste trabalho fazer uma análise comparativa entre diferentes métodos hidrológicos de obtenção da vazão aquática: método da vazão aquática de base, método da curva de permanência Q90 e Q95, método das vazões anuais mínimas de 7 dias e o método da vazão média mínima de 7 dias, com período de recorrência de 10 anos (Q7,10), na bacia hidrográfica do rio Piquiri. Foi realizado um comparativo entre os métodos e, também, para cada estação. Verificou-se diferença entre os valores de vazão ecológica estimados para os diferentes métodos analisados. As maiores estimativas de vazão entre os métodos foram encontradas no método da vazão aquática de base e as menores estimativas foram obtidas pelo método da Q7,10; na a maioria das estações o método da vazão aquática de base foi maior, exceto na estação (64776100), na qual o valor da vazão Q90 foi superior e na estação (64785000) cujo maior valor de vazão encontrado foi na média anual das vazões mínimas de sete dias; para todas as estações, o método que obteve os menores valores de vazão ecológica foi o da Q7,10, que é uma estimativa restritiva, quando comparada com o limite máximo outorgável no estado do Paraná.