Foi desenvolvida uma ferramenta para simular a geração, o transporte e a redistribuição de sedimentos em bacias de grande escala, através da integração de uma metodologia simplificada para estimativa da distribuição espacial e temporal da perda de solo na bacia com uma metodologia de transporte de sedimentos em rios com planícies de inundação, e com o modelo hidrológico distribuído MGB-IPH. O MGB-IPH é um modelo hidrológico distribuído de grandes escalas, baseado em processos, que adota uma discretização da bacia em minibacias e o conceito de Unidades de Respostas Hidrológicas (URH). O modelo usa equações de base física para simular os processos hidrológicos, como o modelo de evapotranspiração de Pennan Monteith, e utiliza a abordagem de Muskingum-Cunge e um modelo hidrodinâmico 1D para propagar as vazões nos rios, incluindo efeitos de remanso e inundações sazonais. A integração considera a possibilidade de aplicação em bacias com escassez de dados e o uso de utilização de Sistemas de Informações Geográficas e dados espacializados. Buscou-se representar a dinâmica dos sedimentos em grandes bacias, tendo como estudo de caso a bacia do rio Madeira, caracterizada pela sua grande extensão territorial (~1,4.106 km2) e elevada produção de sedimentos. A MUSLE é utilizada para estimar a perda de solo em cada minibacia considerando um fator topográfico LS bidimensional extraído do SRTM/MDE e os demais parâmetros obtidos da literatura ou por formulações específicas. O transporte de sedimentos nos rios é realizado utilizando uma equação de advecção para partículas de silte e argila (materiais em suspensão) e uma equação da continuidade para partículas de areia (carga de fundo). Uma troca lateral de sedimentos em suspensão também é permitida entre os rios e suas planícies de inundação. As metodologias acopladas ao MGB forneceram resultados satisfatórios na bacia do rio Madeira, possibilitando uma visão distribuída da localização das principais fontes de geração de sedimentos na bacia e dos trechos de rios com maiores cargas de sedimentos transportadas. A dinâmica geral dos sedimentos, desde os principais locais de geração de sedimentos na bacia até a sazonalidade do transporte de sedimentos em suspensão nos principais rios, foi representada de forma distribuída. As concentrações e as cargas de sedimentos em suspensão simuladas foram comparadas com dados observados, nas escalas anual, mensal e diária, com ajustes satisfatórios entre elas ao longo dos principais rios da bacia. A transferência lateral de sedimentos entre rio e planície indicaram que 35% de toda a carga de sedimentos provenientes dos Andes é depositada nas planícies. Essa representação também permitiu o amortecimento dos picos e o retardo da propagação das concentrações. As concentrações e as cargas médias mensais de sedimentos em suspensão apresentaram comportamento semelhante aqueles descritos por outros estudos realizados neste bacia, os quais a avaliaram a partir de dados de campo. Apesar dos resultados satisfatórios, foi feita uma avaliação das potencialidades e limitações do modelo e fornecidas recomendações para trabalhos futuros. / It was developed a tool for modelling the production, transport and redistribution of sediments for large scales river basins, by integrating a simplified methodology to predict the spatial and temporal distribution of the soil loss over the basin with a methodology to transport sediments along river with floodplains, and couple them to the MGB-IPH hydrological distributed model. The MGB-IPH is a large-scale, distributed and process based hydrological model that uses a catchment based discretization and the Hydrological Response Units (HRU) approach. It uses physical based equations to simulate the hydrological processes, such as the Penman Monteith model for evapotranspiration, and uses the Muskingum Cunge approach and a full 1D hydrodynamic model for river routing; including backwater effects and seasonal flooding. The integration considers possible applications of the model in basins with data scarcity and the use of geographic information systems and spatially distributed information. It aimed to represent the sediments dynamics of large basin using the Madeira river basin as a case study, which is a large basin (~1,4.106 km2) with high amount of sediment transportation. The MUSLE model is used to predicts basin sediment production et each catchment considering a bi-dimensional topographic LS factor extract from SRTM/DEM and values of the other parameters derived from literature or specific equations. Sediment transport along the river are performed using an advection equation for silt and clay (suspended materials) and a sediment continuity equation for sand (bed load). A lateral exchange of suspended sediments is also allowed between rivers and its floodplains. The methodologies coupled with the MGB-IPH model provided satisfactory results in the Madeira river basin, allowing a distributed view of sediment production sites over the basin and of the rivers reaches transporting large amount of sediments. General sediment dynamic was represented in a spatialized way, including the main sources of sediment productions and the suspended sediment transport seasonality. Concentrations and loads of simulated suspended sediment were compared with observed data at annual, monthly and daily scales, shown satisfactory adjustments between them along the main rivers of the basin. Lateral exchanges of suspended sediment between rivers and floodplains indicated that near 35% of all Andeans loads are deposited into floodplains. This representation also allowed the damping of the peaks and the routing delay of the concentrations and of the loads of suspended sediments. Mean monthly concentrations and loads of suspended sediments showed similar behaviors of those described by other researches at this basin using observed data. Despite the satisfactory results, an assessment was made of the potential and limitations of the model and provided recommendations for future work.

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

O presente trabalho tem como objetivo explorar as dificuldades bem como os benefícios da utilização de arquiteturas Streams para a simulação de eventos hidrológicos baseados nas equações de águas rasas. Pra tal, é criado embasamento sobre modelagem hidrológica e os algumas classes de modelos existentes, arquiteturas heterogêneas e mais especificamente do modelo bidimensional usado baseado nas equações de Saint-Venan. Com isso é construida a linha de tempo referente às otimizações aplicadas ao modelo inicialmente serial até sua versão otimizada para GPUs, exibindo cada passo tomado em forma de algoritmo para chegar ao objetivo. Com estas otimizações foi obtido um speedup de quatro vezes para pequenas áreas e de 10 vezes com uma resolução média para uma grande área com um alto nível de detalhamento, quando comparado com uma versão de 24 threads. / This study aims to explore the difficulties and the benefits of using Streams architectures for the simulation of hydrological events based on shallow water equations. For this purpose, is created foundation on hydrological modeling and some classes of existing models, heterogeneous architectures, and more specifically the two-dimensional model based on the equations used Saint-Venan. A timeline is constructed relating the applied optimizations beginning from the first serial model optimized for a GPU version showing each step taken in the form of an algorithm to reach the best performance. With these optimizations a speedup about 4 times was obtained for small areas and 10 times with a middle level of detailing for a large area with a high level of detailing. These results were produced comparing the GPU performance with a CPU and 24 threads version.

Foi desenvolvida uma ferramenta para simular a geração, o transporte e a redistribuição de sedimentos em bacias de grande escala, através da integração de uma metodologia simplificada para estimativa da distribuição espacial e temporal da perda de solo na bacia com uma metodologia de transporte de sedimentos em rios com planícies de inundação, e com o modelo hidrológico distribuído MGB-IPH. O MGB-IPH é um modelo hidrológico distribuído de grandes escalas, baseado em processos, que adota uma discretização da bacia em minibacias e o conceito de Unidades de Respostas Hidrológicas (URH). O modelo usa equações de base física para simular os processos hidrológicos, como o modelo de evapotranspiração de Pennan Monteith, e utiliza a abordagem de Muskingum-Cunge e um modelo hidrodinâmico 1D para propagar as vazões nos rios, incluindo efeitos de remanso e inundações sazonais. A integração considera a possibilidade de aplicação em bacias com escassez de dados e o uso de utilização de Sistemas de Informações Geográficas e dados espacializados. Buscou-se representar a dinâmica dos sedimentos em grandes bacias, tendo como estudo de caso a bacia do rio Madeira, caracterizada pela sua grande extensão territorial (~1,4.106 km2) e elevada produção de sedimentos. A MUSLE é utilizada para estimar a perda de solo em cada minibacia considerando um fator topográfico LS bidimensional extraído do SRTM/MDE e os demais parâmetros obtidos da literatura ou por formulações específicas. O transporte de sedimentos nos rios é realizado utilizando uma equação de advecção para partículas de silte e argila (materiais em suspensão) e uma equação da continuidade para partículas de areia (carga de fundo). Uma troca lateral de sedimentos em suspensão também é permitida entre os rios e suas planícies de inundação. As metodologias acopladas ao MGB forneceram resultados satisfatórios na bacia do rio Madeira, possibilitando uma visão distribuída da localização das principais fontes de geração de sedimentos na bacia e dos trechos de rios com maiores cargas de sedimentos transportadas. A dinâmica geral dos sedimentos, desde os principais locais de geração de sedimentos na bacia até a sazonalidade do transporte de sedimentos em suspensão nos principais rios, foi representada de forma distribuída. As concentrações e as cargas de sedimentos em suspensão simuladas foram comparadas com dados observados, nas escalas anual, mensal e diária, com ajustes satisfatórios entre elas ao longo dos principais rios da bacia. A transferência lateral de sedimentos entre rio e planície indicaram que 35% de toda a carga de sedimentos provenientes dos Andes é depositada nas planícies. Essa representação também permitiu o amortecimento dos picos e o retardo da propagação das concentrações. As concentrações e as cargas médias mensais de sedimentos em suspensão apresentaram comportamento semelhante aqueles descritos por outros estudos realizados neste bacia, os quais a avaliaram a partir de dados de campo. Apesar dos resultados satisfatórios, foi feita uma avaliação das potencialidades e limitações do modelo e fornecidas recomendações para trabalhos futuros. / It was developed a tool for modelling the production, transport and redistribution of sediments for large scales river basins, by integrating a simplified methodology to predict the spatial and temporal distribution of the soil loss over the basin with a methodology to transport sediments along river with floodplains, and couple them to the MGB-IPH hydrological distributed model. The MGB-IPH is a large-scale, distributed and process based hydrological model that uses a catchment based discretization and the Hydrological Response Units (HRU) approach. It uses physical based equations to simulate the hydrological processes, such as the Penman Monteith model for evapotranspiration, and uses the Muskingum Cunge approach and a full 1D hydrodynamic model for river routing; including backwater effects and seasonal flooding. The integration considers possible applications of the model in basins with data scarcity and the use of geographic information systems and spatially distributed information. It aimed to represent the sediments dynamics of large basin using the Madeira river basin as a case study, which is a large basin (~1,4.106 km2) with high amount of sediment transportation. The MUSLE model is used to predicts basin sediment production et each catchment considering a bi-dimensional topographic LS factor extract from SRTM/DEM and values of the other parameters derived from literature or specific equations. Sediment transport along the river are performed using an advection equation for silt and clay (suspended materials) and a sediment continuity equation for sand (bed load). A lateral exchange of suspended sediments is also allowed between rivers and its floodplains. The methodologies coupled with the MGB-IPH model provided satisfactory results in the Madeira river basin, allowing a distributed view of sediment production sites over the basin and of the rivers reaches transporting large amount of sediments. General sediment dynamic was represented in a spatialized way, including the main sources of sediment productions and the suspended sediment transport seasonality. Concentrations and loads of simulated suspended sediment were compared with observed data at annual, monthly and daily scales, shown satisfactory adjustments between them along the main rivers of the basin. Lateral exchanges of suspended sediment between rivers and floodplains indicated that near 35% of all Andeans loads are deposited into floodplains. This representation also allowed the damping of the peaks and the routing delay of the concentrations and of the loads of suspended sediments. Mean monthly concentrations and loads of suspended sediments showed similar behaviors of those described by other researches at this basin using observed data. Despite the satisfactory results, an assessment was made of the potential and limitations of the model and provided recommendations for future work.

Neste estudo foi analisada a previsibilidade hidroclimática na bacia do Alto Paraguai no curto e longo prazo. Nestas últimas décadas, a região foi marcada por uma forte variabilidade climática, passando por um período extremamente seco durante a década de 1960 e por um período extremamente úmido a partir do início da década de 1970. Desta forma, avaliar a previsibilidade hidroclimática é muito importante para o gerenciamento dos recursos hídricos na bacia, e, conseqüentemente do ecossistema que depende deste recurso. A previsibilidade de longo prazo da Bacia do Alto Paraguai foi analisada mediante técnicas estatísticas dado que a região do Brasil Central é considerada de baixa previsibilidade de longo prazo mediante modelos dinâmicos. O objetivo da análise foi o de explorar possíveis relações entre os fenômenos climáticos globais (representados pelos índices climáticos) sobre o clima da BAP com valor prognóstico. Os resultados da análise mostraram que o fenômeno que tem a maior capacidade de modulação do clima na Bacia do Alto Paraguai é a Oscilação Decadal do Pacífico (PDO). A PDO se caracteriza por fases de aproximadamente 25 anos nas quais o índice que a representa se encontra acima ou abaixo do valor normal. A duração das fases do PDO é definida por alterações climáticas abruptas que se encontraram muito bem representadas no Pantanal, com mudanças bruscas nas vazões coincidentes com as mudanças de fase do PDO, e vazões significativamente acima ou abaixo da média durante a duração de cada fase do PDO. Outros fenômenos que foram relacionados ao clima da Bacia do Alto Paraguai foram “El Niño/ La Niña” e a Oscilação do Atlântico Norte (NAO). Ambos os fenômenos foram relacionados com as anomalias na temperatura no Atlântico Norte Tropical (NTA) que, por sua vez, foi relacionada com o clima da BAP. Os resultados mostraram que, quando existe o Fenómeno “El Niño” ou a NAO se encontra abaixo do Normal, acontecem anomalias positivas no NTA, e conseqüentemente secas na região da BAP e o efeito contrario nos índices opostos. Também foi encontrada uma correlação com o Modo Anular do Sul (SAM) que permitiu estabelecer um modelo de previsão simples para demonstrar os benefícios da incorporação da informação climática na previsão de longo prazo. Para avaliar a previsibilidade hidroclimática de curto prazo na Bacia do Alto Paraguai foram avaliados diversos modelos alternativos: modelo de Regressão Linear, modelo de diferenças (variação do anterior), modelo ARMA, modelo empírico de propagação por ponderação da persistência e o modelo hidrológico distribuído para grandes bacias (MGB). O modelo conceitual MGB, citado no item anterior, foi utilizado de acordo com a disponibilidade de dados de chuva: previsão baseada em chuva nula, previsão baseada na chuva observada com dados pluviométricos obtidos a partir dos pluviômetros da Agência Nacional de Águas e a partir de estimativas do satélite TRMM e previsão baseada na chuva prevista no modelo atmosférico BRAMS. Previamente à analise da previsibilidade das vazões, foi analisada a previsibilidade atmosférica na região utilizando o modelo BRAMS com diferentes condições de contorno inferiores. Os resultados da previsão atmosférica com o modelo BRAMS mostraram que há um impacto significativo nas simulações ao introduzir características físicas mais realistas na superfície do modelo na região do Pantanal em todas as variáveis avaliadas (temperatura, umidade, vento e precipitação). O impacto positivo foi tanto maior quanto mais próximo estiver o ponto de observação do Pantanal e quanto mais ao Sul estiver localizado o posto (sendo esta a direção preferencial do vento na região). No entanto, dentro do próprio Pantanal, alguns problemas nas características da simulação (Ex, inexistência de dados para caracterizar corretamente a espessura da camada de água) ou na própria estrutura do modelo, geraram erros na simulação dos fluxos da radiação e temperatura. Também foi verificado que os dados de chuva existentes na bacia são equivalentes a chuva estimada pelo satélite TRMM. Desta forma, é possível o estabelecimento de um sistema de previsão razoável baseado simplesmente em dados obtidos por sensoriamento remoto, previsões numéricas e alguns postos fluviométricos chave. Os resultados da previsão hidroclimática mostraram que as metodologias estatísticas apresentaram os melhores resultados com antecedências menores ao tempo de traslado da onda nas bacias (geralmente 2-3 dias no Planalto e 1-2 meses no Pantanal). Estes resultados são semelhantes aos resultados de outros pesquisadores, já que os modelos estatísticos exploram melhor as relações entre séries. Para tempos maiores, o modelo conceitual utilizado (MGB) mostrou-se melhor, já que consegue extrair informação dos dados climáticos. A inclusão da informação obtida pelo modelo meteorológico mostrou-se muito importante para a previsão no Pantanal, já que permitiu melhorar consideravelmente a antecedência da previsão. Em muitos casos a informação do modelo meteorológico mostrou-se melhor que os próprios dados medidos nos postos pluviométricos da bacia. Desta forma, além de ferramenta para realizar previsões o modelo meteorológico mostrou-se como um auxiliar muito eficiente para melhorar o entendimento da dinâmica do Pantanal. / This thesis present the results of the research about the short and long term hydroclimatic forecast capability in the Upper Paraguay Basin (UPB). Over recent decades, climate has varied markedly over this region of South America, with an extremely dry period during the 1960s and a very wet period beginning in the 1970s. More recently, a period in which river flows have been very low has been observed since 1998. Due to this strong variability it is very important to evaluate the forecast capability for the management of Water Resources in the basin, and, consequently, of the rich ecosystem that depends on these resources. The forecast capability in the long term in the UPB was analyzed using statistical techniques because the long term numerical climate models are considered to be of low forecastability in this region. The objective of the analysis was to explore possible relationships between global climate phenomena (represented by climate indices) on the climate of the UPB with a forecast view. The results of the analysis showed that the index (between the ones analyzed) that has the largest capability to modulate the climate in the UPB is the Pacific Decadal Oscillation (PDO). The PDO if characterized by phases of approximately 25 years in which the index that represents the phenomena is founds above or below the normal value. The duration of the phases of the PDO is defined by abrupt climatic shifts that had been well characterized in the Pantanal, with the abrupt changes in outflows coincident with the changes in the phase of the PDO, and outflows significantly above or below of the average value during the duration of each phase of the PDO. Other phenomena that had been related to the climate of the UPB was the ENSO or “El Niño/La Niña” phenomena and the North Atlantic Oscillation (NAO). Both phenomenas are related to anomalies in the temperature in the Tropical North Atlantic (NTA) that, in turn, are related to the climate of the BAP. The results indicated that, when the “El Niño” or NAO are below the normal value, positive anomalies in the NTA are observed, and, consequently droughts in the region of the UPB are found and opposite effects when the phenomena is¨La Niña¨ or the NAO above the normal value exits. The Southern Annular Mode (SAM) also helped to establish a simplified forecast model that showed the benefits of incorporating climate data in the analysis. To evaluate the short term hydroclimatic forecastability in the UPB several alternative models had been evaluated: a linear regression model, difference’s model (similar to the previous one), ARMA model, empirical persistence model and the distributed hidrológic model for large basins (MGB-IPH). The MGB-IPH model was used in accordance with the availability of rain data: forecast based on no-rain, forecast based on the rain observed in rain gauges of the National Water Agency of Brazil (ANA) and from estimates of satellite TRMM and forecast based on the rain foreseen in the Brazilian Regional Atmospheric Model (BRAMS) Prior to the flow forecast analysis it was analyzed the meteorological forecast capability with BRAMS. The results of the meteorological forecast with BRAMS indicated that introduced a large impact in the simulations when a more realistic description of physical characteristics in the surface of the model was incorporated in the region of the Pantanal, in all the evaluated variables (temperature, humidity, wind and precipitation). The improvement of the simulation was larger as closer to the Pantanal and to the South was the evaluated point (northerlies are the preferential winds in the region). However, inside of Pantanal wetland, some problems due to the characteristics of the simulation (For example, inexistence of data to correctly characterize the thickness of the water layer) or in the model own structure, generated errors in the simulation of the radiative fluxes and temperature. It was also verified that the existing rain data in the basin was equivalent to the rain estimated from Tropical Rainfall Modeling Mission (TRMM) satellite, so, it was possible to conclude the possibility of establishment of a reasonable forecast system based in the data obtained from remote sensing, numerical forecasts and some key rain and flow gauges. The results of the hydroclimatic forecast indicated that the statistical methodologies presented the best results with lead time shorter than the lag time of the basins (generally 2-3 days in the Planalto region and 1-2 months in the Pantanal). These results result are coincident with the results of other researchers, since the statistical models explore the relations between series better. For longer lead times, the used conceptual model (MGB-IPH) revealed to be better, since it can extract information from meteorological data. The information obtained from the meteorological model allowed a better forecast in the Pantanal, since it improved the lead time of the forecast. In many cases the information of the meteorological model revealed to be better that the measured data in the rain and flow gauges of the basin in such a way, that beyond a tool to produce forecasts, the meteorological model showed that could be an excellent tool to understand the dynamics of the Pantanal.

Neste trabalho foi avaliado o efeito do controle de montante em sub-bacias embutidas na previsão hidrológica de curto prazo, com a investigação conjunta de dois aspectos: variação da área controlada e a variação do detalhamento temporal dos dados de vazões de entrada do modelo. O local escolhido para essa pesquisa foi a bacia do rio Ijuí com exutório no posto fluviométrico da Ponte Mística e as suas sub-bacias embutidas de Santo Ângelo, Ponte Nova do Potiribu, Colônia Mousquer, Passo do Faxinal e Turcato. Os dados de vazão utilizados foram obtidos da Agência Nacional de Águas (ANA) e do projeto de monitoramento da bacia do Potiribu (Castro et al., 2010), enquanto que os dados de precipitação foram obtidos em Silva (2011), que calculou uma série histórica de precipitações médias de uma grade de chuvas interpoladas a partir dos dados de 65 postos pluviométricos da região. Para este estudo foram utilizados dados de 22/08/1989 à 01/06/1994 (1.743 dias). Esse período foi selecionado por ser o maior período com dados concomitantes em todos os postos fluviométricos. Os modelos escolhidos para esse estudo foram as redes neurais artificiais de múltiplas camadas, com utilização do algoritmo retropropagativo. As entradas nos modelos foram os dados de precipitação e as vazões diárias da bacia de Ponte Mística e de suas sub-bacias, e as saídas foram as vazões de Ponte Mística um dia à frente. Foram apresentadas oito alternativas de controle físico de montante. Também foram aplicadas, para cada uma das alternativas, componentes antecedentes, com a utilização dos dados de vazão com antecedência de 24h e 48h. A utilização de vazões horárias do Turcato foi comparada com uma alternativa que contempla o mesmo posto, mas com dados diários, para investigar se a utilização de dados com um maior detalhamento temporal pode produzir melhores resultados. Para a análise do desempenho da rede foi aplicado como estatística de qualidade o coeficiente de Nash-Sutcliffe (NS). A avaliação estatística apresentou bons resultados na previsão de vazão para todas as alternativas de controle, sendo o menor NS de 0,91 e o maior de 0,97. A utilização de um maior detalhamento temporal, com aplicação de vazões horárias, provocou uma redução no desempenho do modelo, com o NS caindo de 0,91 para 0,89. Observou-se também que, quanto maior a área controlada das bacias, melhores são os resultados para a previsão de vazão. A análise da influência de cada variável explicativa foi feita por um método apresentado por Maier e Dandy (1997), revelando-se um recurso valioso para a compreensão das relações de importância das variáveis e do funcionamento do sistema. As contribuições das vazões das bacias de montante foram sempre mais influentes do que as precipitações diárias sobre toda a bacia, sendo demonstrado que, neste sentido, mesmo uma bacia muito pequena pode ser importante para a previsão. Além disso, esta técnica revelou-se importante para auxiliar na identificação das defasagens que são mais importantes, e também revela que, mesmo componentes que apresentam menor influência, podem atuar como potencializadoras de outras variáveis ou componentes, cuja ação atua no sentido de incrementar o desempenho das previsões do modelo. / This study evaluated the effects of the amount of controlled area with sub-basins embedded for real time hydrologic forecasting. Two aspects were studied together: The variation in the amount of controlled area and the temporal variation of detail data flow model input. The site chosen for this research was the Ijuí river basin with outlet in the gaging station of Ponte Mística and its sub-basins, namely the gaging stations at Sant'Angelo, Ponte Nova do Potiribu, Colônia Mousquer, Passo do Faxinal and Turcato. The streamflow data used were obtained from the National Water Agency (ANA) and the monitoring project of the Potiribu basin (Castro et al., 2010), while precipitation data were obtained in Silva (2011), who calculated the series of average precipitations from a grid of rainfalls resulting from the data interpolation of 65 raingauge stations in the region. For this study we used data from 22/08/1989 to 01/06/1994 (1.743 days). This period was selected because it is the longest period with complete data in all fluviometric stations. The models chosen for this study were the artificial neural networks of multiple layers, with training by the backpropagation algorithm. The entries of the models were the daily rainfall data and the streamflow of Ponte Mística basin and its sub-basins, and the outputs were the streamflows of the gaging station of Ponte Mística one day after. Eight alternatives of upstream control were presented. There were also applied, to each of these alternatives, the antecedent components, namely, the previous streamflow data of 24h and 48h. The model which uses hourly streamflows of Turcato was compared with an alternative that makes the same job, but with daily data, to investigate if the former, with the use of data with greater temporal detail, can produce better results. For the analysis of network performances it was applied the Nash-Sutcliffe coefficient (NS). Statistical evaluation showed good results in predicting streamflow for all control alternatives, being 0.91 and 0.97 the lowest and the highest NS, respectively. Using a more detailed temporal, applying hourly streamflows, caused a reduction in the performance of the model, with the NS falling from 0.91 to 0.89. It was also observed that the larger the controlled basins area, the better the results for predicting flow. The analysis of the influence of each explanatory variable was made by a method developed by Maier and Dandy (1997), proved to be a valuable resource for understanding the importance of relationships of variables and operating system. The contributions of flow from upstream basins have revealed always more influential to the forecasting than the daily precipitation over the whole basin, and demonstrated that, in this sense, even a very small basin may be important for forecasting. Furthermore, this technique proved important to help identify the more important lags, and also reveals that, even components that have less influence, can act for potentiating the other variables or components whose actions acts to increase the performance of the model predictions.

Submitted by Romulus Lima (romulus.lima@ufpe.br) on 2015-03-10T13:30:45Z No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO Keyla Almeida dos Santos.pdf: 7787930 bytes, checksum: 671857d6e7021d8b13a357f445d816da (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-03-10T13:30:45Z (GMT). No. of bitstreams: 2 DISSERTAÇÃO Keyla Almeida dos Santos.pdf: 7787930 bytes, checksum: 671857d6e7021d8b13a357f445d816da (MD5) license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Previous issue date: 2013-02-25 / O trabalho em questão trata do estudo da propagação e do controle de cheias em bacias hidrográficas com grande variação de altitude, tendo como estudo de caso a bacia do rio Mundaú, até a fronteira do Estado de Pernambuco. Foram aplicados os modelos integrados HEC-HMS e HEC-RAS com a utilização de ferramentas de geoprocessamento, da nascente do rio Mundaú até a cidade de Santana do Mundaú, em Alagoas. Com base no hidrograma da estação fluviométrica em Santana do Mundaú, foram escolhidos para simular os eventos de 1994, 1997, 2000, 2005 e 2008, todos com vazão acima de 100 m3/s. A altimetria foi obtida através do mapeamento digital a laser ao longo do rio na escala 1:5.000 e na cidade de Correntes na escala 1:2.000, com o uso da tecnologia LiDAR. Através desse Modelo Digital do Terreno (MDT) e das ortoimagens (fotografias georreferenciadas), foram criados os elementos necessários ao processamento da geometria do rio, pré-requisito para a modelagem no HEC-RAS. Como resultados da pesquisa, temos a calibração e validação do modelo e a simulação do evento de 2010 com um possível barramento para controle de enchentes. A característica mais marcante desta bacia e dos seus principais cursos de água em território pernambucano são as grandes declividades observadas, o que traz complicação para a modelagem hidrodinâmica nas abordagens convencionais. Isso requereu a utilização de artifícios para eliminação das instabilidades numéricas. Ao final, foi possível modelar os aspectos hidrológicos e hidrodinâmicos, considerando-se inclusive o controle de cheias com a inclusão de um barramento no sistema físico modelado.

Submitted by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2017-12-26T18:56:29Z No. of bitstreams: 1 Tese_Beatriz dos Santos.pdf: 10744513 bytes, checksum: 2bae2c979c9501c9518e19433182d111 (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2017-12-26T18:56:42Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Tese_Beatriz dos Santos.pdf: 10744513 bytes, checksum: 2bae2c979c9501c9518e19433182d111 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-12-26T18:56:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_Beatriz dos Santos.pdf: 10744513 bytes, checksum: 2bae2c979c9501c9518e19433182d111 (MD5) Previous issue date: 2015-09-30 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The people living near the Amazon rivers have adaptability as the level changes of the rivers in periods of flood and drought. But, in recent years, floods and drought events are becoming increasingly extreme and are associated with climate change, exacerbating the vulnerabilities of populations in the Amazon. In recent years, the Amazon basin has been experiencing a recurring increase in floods and intense droughts, highlighting the latest events in 2005 and 2010 droughts and extreme floods in 2009 and 2012. In this study, these events are called hydrological extreme events, that are felt mainly by coastal communities, preventing agricultural activities, fisheries, extractive, navigation, access to school, health and education. Much of the riverside populations well-being depends directly cycles and processes that can be changed or seriously threatened by the effects of extreme hydrological events. In this context, a survey was conducted of data, with a sample of residents of the neighborhoods of the city of Barcelos, Amazonas, located in the middle Rio Negro, in order to identify whether the residents realize that extreme hydrological events are affecting the way as the environmental resources of the region are being used and this way to use affects your wellbeing. For this, we developed an experiment of choice, preferred method declared environmental valuation, describing certain environmental resources in the form of attributes. In this study, described attributes have been change in the river, change in the amount of fish, extraction, agricultural production and a value attribute for the financial compensation to continue living in extreme hydrological event situation. These characteristics were gathered in hypothetical scenarios of choice and presented to respondents who were asked about their choices about the scenarios. In addition, it designed a form with structured questions and semi-structured to capture socioeconomic and perception of environmental and climate information. The experiment of choice was developed with the software support Ngene® and econometric and statistical analyzes were performed on Nlogit® and SPSS software. Your search yielded 102 interviews and the experiment of choice has generated 1,836 comments. Respondents perceive change has occurred during the rainy season (98.0%) and events of rain and extreme drought are the main causes of problems in fishing (77.5%), reduction in the dry season (52.9%) and temperature increase (96.0%). The study revealed also by means of the estimated models, which individuals perceive that change is occurring in the river, but they understand that this change itself does not affect their well-being. However, the change in the river affects their well-being when, indirectly, the resource is affected by forest loss and changes in the river period of flood and drought. Ie the use of the resource is being affected by extreme hydrological events and consequently affecting their well-being. As compensation, respondents would be willing to receive the acceptable value for their choices of R$ 306.00. Is made mister, so the development of a broad set of policies and programs that promote goods, services and monetary benefits to citizens, promoting the distribution and redistribution of resources, such as income, health, education, culture, among others, promoting thus improving their quality of life population. Greater attention should be given to agricultural production activities, extraction and fishing focused on efficient management, adding economic and socially sustainable development. As well as the ncessidade to offer subsidies to people, implementing preventive actions providing support when there is occurrence of extreme hydrological events. / As populações que habitam próximas aos rios da Amazônia possuem adaptabilidade quanto às mudanças de nível dos rios, em períodos de cheias e secas. Porém, nos últimos anos, os eventos de cheias e secas vêm se tornando cada vez mais extremos e, são associados às mudanças climáticas, agravando as vulnerabilidades das populações na Amazônia. Nos últimos anos, a bacia Amazônica vem experimentando um aumento recorrente nas cheias e secas intensas, destacando os eventos mais recentes de secas em 2005 e 2010 e, de cheias extremas em 2009 e 2012. No presente estudo, estes eventos são denominados de eventos hidrológicos extremos que são sentidos, principalmente, pelas populações ribeirinhas, impossibilitando atividades agrícolas, pesqueiras, extrativistas, navegação, acesso à escola, saúde e educação. Grande parte do bem-estar das populações ribeirinhas depende diretamente de ciclos e processos que podem ser seriamente alterados ou ameaçados pelos efeitos de eventos hidrológicos extremos. Diante desse contexto, foi realizado um levantamento de dados, com uma amostra composta de moradores dos bairros da cidade de Barcelos, Amazonas, localizada no médio rio Negro, com o intuito de identificar se os moradores, percebem que eventos hidrológicos extremos estão afetando a maneira como os recursos ambientais da região estão sendo utilizados e se essa maneira de usar afeta o seu bem-estar. Para isso, foi desenvolvido um experimento de escolha, método de preferência declarada de valoração ambiental, que descreve determinados recursos ambientais em forma de atributos. Nesse estudo, os atributos descritos foram mudança no rio, alteração na quantidade de peixe, extrativismo, produção agrícola e um atributo de valor referente à compensação financeira para continuar vivendo em situação de evento hidrológico extremo. Essas características foram reunidas em cenários hipotéticos de escolha e apresentados aos respondentes que eram perguntados sobre suas escolhas quanto aos cenários. Adicionalmente, foi elaborado um formulário contendo questões estruturadas e semi-estruturadas para capturar informações socioeconômicas e de percepção sobre aspectos ambientais e climáticos. O experimento de escolha foi desenvolvido com o suporte do software Ngene® e as análises econométricas e estatísticas foram realizadas nos softwares Nlogit® e SPSS®. A pesquisa gerou 102 entrevistas e para o experimento de escolha gerou 1.836 observações. Os entrevistados percebem vem ocorrendo mudança na época de chuva (98,0%) e que eventos de chuvas e secas extremas são as principais causas de problema na pesca (77,5%), redução no período seco (52,9%) e aumento na temperatura (96,0%). O estudo revelou ainda, por meio dos modelos estimados, que os indivíduos percebem que vem ocorrendo mudança no rio, porém, eles entendem que essa mudança em si não afeta o seu bem-estar. Entretanto, a mudança no rio afeta seu bem-estar, quando, indiretamente, o recurso é afetado por meio da perda de floresta e da variação no rio período de cheia e seca forte. Ou seja, o uso do recurso é que está sendo afetado pelos eventos hidrológicos extremos e, consequentemente, afetando o seu bemestar. Como compensação financeira, os entrevistados estariam dispostos a receber o valor aceitável por suas escolhas de R$ 306,00. Faz-se mister, portanto, o desenvolvimento de de um amplo conjunto de políticas e programas que promovam bens, serviços e benefícios monetários aos cidadãos, promovendo a distribuição e redistribuição de recursos, tais como renda, saúde, educação, cultura entre outros, promovendo assim a melhoria da qualidade de vida de sua população. Uma maior atenção deve ser dada às atividades de produção agrícola, extrativismo e pesca voltada para uma gestão eficiente, agregando desenvolvimento econômico e socialmente sustentável. Bem como, a ncessidade de oferecer subsídios aos habitantes, implementando ações preventivas que prestem apoio quando houver ocorrência de eventos hidrológicos extremos

Ingeniera Civil / Desde la era preindustrial se han observado aumentos en la concentración de gases de efecto invernadero, factor asociado directamente al cambio climático experimentado en las últimas décadas. A consecuencia de lo anterior, el Proyecto de Intercomparación de Modelos Acoplados (CMIP) se ha preocupado de promover el desarrollo de los modelos de circulación general, los cuales entregan las forzantes necesarias para calibrar un modelo hidrológico en el periodo en que existe información observada y proyectar caudales tanto hacia el futuro como el pasado. El objetivo principal de este trabajo es reconstruir el caudal medio anual durante el periodo histórico 1600 2000 en la cuenca del Maule, usando información del experimento 3.6 del CMIP5. Para ello se escogió el modelo de circulación general GISS-E2-R que incluye el experimento antes mencionado y se verificó que éste tuviese la capacidad de replicar la climatología termo-pluviométrica de la zona de estudio durante el periodo de línea base, obteniendo las series de precipitación y temperatura para el intervalo de tiempo 1600 - 2000. Se utilizaron dos modelos WEAP (MPUC y MERIDANUS), calibrados y validados en estudios anteriores a escala mensual en la cuenca del estero Las Garzas, estimándose caudales medios anuales de la temporada 1600 2000 en la subcuenca río Achibueno en La Recova, considerada representativa de la cuenca del Maule. Como resultado de este trabajo se determina la evolución de las forzantes meteorológicas (precipitación y temperatura) a nivel de cuenca en el período 1600 a 2000 y se genera la conexión con los caudales medios anuales obtenidos, determinando que estos se ven principalmente influenciados por las precipitaciones. Se estimó que el caudal máximo anual en río Achibueno en La Recova ocurrió el año 1760 con valores de 104,4 m³/s (MPUC) y 94,2 m³/s (MERIDANUS), siendo el mismo año en que se registra la precipitación máxima anual del periodo estudiado, igual a 4.228,2 mm. Por su parte, el caudal medio anual mínimo según estas simulaciones ocurrió en 1957, cuyas magnitudes son 9,4 m³/s (MPUC) y 8,3 m³/s (MERIDANUS), donde la precipitación para este año se encuentra dentro de las más bajas (280,2 mm). Del análisis cada 100 años se obtuvo que, el siglo XX presenta los valores más bajos de caudal medio anual, reflejado en su media y en los caudales medios anuales asociados a las probabilidades de excedencia de 95, 90 y 85%. El siglo con más periodos secos corresponde al XIX; sin embargo, es el que posee el mayor caudal medio de los 4 siglos analizados. Los caudales medios anuales máximos relacionados al 95 y 90% de probabilidad se habrían producido en el siglo XVII, mientras que el correspondiente al 85% varía de acuerdo al modelo utilizado, el modelo MPUC indica que éste pertenece al siglo XIX y el modelo MERIDANUS que corresponde al XVII. Asimismo se aprecia una concordancia con un estudio basado en anillos de árboles en el 2011, ya que ambas presentan una distribución similar de caudales, donde los valores altos del siglo XX se encuentran por sobre el resto del periodo y en el caso de los caudales más bajos ocurre lo opuesto. Finalmente, de 79 registros históricos asociados a sequías e inundaciones, con el modelo MPUC existen 45 coincidencias, mientras que MERIDANUS entrega mejores resultados al concordar con 53 hechos.

No disponible a texto completo / Memoria para optar al Título Profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / El estudio de los servicios ecosistémicos ha aumentado en los países de América Latina durante los últimos años. Sin embargo, aún se presenta como una nueva forma de estudiar los ecosistemas y su relación con la sociedad, por lo que existen múltiples recomendaciones y desafíos para mejorarlos. El objetivo de este trabajo fue analizar los servicios ecosistémicos presentes en la cuenca hidrográfica del rio Aysén, y hacer una propuesta de valoración económica y de Pago por Servicios Ambientales (PSA) para uno de los servicios ecosistémicos identificado como importante para la población de la cuenca. El primer paso para el logro del objetivo principal fue identificar qué servicios ecosistémicos se presentaban en el área de estudio y cuáles eran reconocidos como importantes por la población. Esta identificación se realizó a través de un análisis teórico, analizando los usos de suelo que se presentaban en la cuenca, y mediante una identificación de servicios ecosistémicos a través de actores locales. Luego se espacializaron dos de los servicios ecosistémicos reconocidos como importantes y se determinó que metodología de valoración era la más apropiada. Finalmente se elaboró una estrategia de pago por servicios ambientales que pudiese ser aplicada en la cuenca hidrográfica de estudio. Los resultados muestran que uno de los servicios ecosistémicos más importantes en el área de estudio, es el de “suministro de agua para uso consuntivo”, el cual podrá ser valorado a través del método de valoración contingente y podrá ser incorporado a un mecanismo de PSA, el cual podrá incorporar como demandantes y oferentes, a la industria salmonera y los dueños de bosque nativo respectivamente. Es posible además concluir que no existe gran diferencia entre la identificación teórica y la identificación a través de actores locales de los servicios ecosistémicos presentes, que la espacialización de estos servicios es una herramienta útil al momento de estudiarlos y que la valoración ambiental es vital para la implementación de un esquema de PSA. / The study of ecosystem services has increased in Latin America during the last years. However, it is still proposed as a new ways to analyze the ecosystems and their relationship with society, consequently there are multiple ways recommendations and challenges to improve them. The main objective of this work was to analyze the ecosystem services provided by the Aysén watershed and to propose its economic valuation and Payment for Ecosystem Services (PSA) for one of the services identified as important by the human population of the watershed. The first step to achieving the main objective was to identify ecosystem services presented in the study area and which were recognized as important by the population. This identification was made through a theoretical analysis, analyzing land uses as presented in the basin, and through identification of ecosystem services by local actors. Then two of spatialized ecosystem services recognized as important and determined that valuation methodology was most appropriate. Finally, a strategy of payment for environmental services that could be applied in the catchment area of study. The results show that one of the most important ecosystem services in the study area, is "providing water for consumptive use," which may be assessed through contingent valuation method may be incorporated into a PSA mechanism , which may be embodied as buyers and sellers, to the salmon industry and native forest owners respectively It is also possible to conclude that there is no difference between the theoretical identification and identification by local actors of ecosystem services in mind, that the spatialization of these services is a useful tool when study and environmental assessment is vital for implementing a PES scheme.