O presente trabalho apresenta os resultados de estudos hidrológicos e hidráulicos desenvolvidos na bacia hidrográfica do rio Pararangaba, situada no município de São José dos Campos (SP), na qual se observa um processo intensificado de urbanização com freqüente ocorrência de inundações. A metodologia proposta para tal é a obtenção dos parâmetros fisiográficos característicos da bacia, através de técnicas de geoprocessamento e a subseqüente integração desses dados aos sistemas de modelagem hidrológica chuva-vazão, HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Modelling System), e de simulação hidrodinâmica da onda de cheia, HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center - River Modelling System). Este trabalho representa uma significativa contribuição prática ao apresentar de forma integrada as técnicas de geoprocessamento aplicáveis à modelagem hidrológica de bacias urbanas, bem como ao permitir a visualização planimétrica dos planos de inundação críticos (chuvas com período de retorno de 10, 50 e 100 anos) sobre a superfície física da bacia do rio Pararangaba.

Previsões hidrometeorológicas confiáveis são necessárias para amenizar desastres causados por eventos extremos. Dessa forma, o acoplamento de modelos atmosféricos e hidrológicos vêm se mostrando como uma ferramenta importante para previsão de eventos severos, proporcionando um sistema de alerta, minimizando os danos causados à população. O principal objetivo deste trabalho é propor, aplicar e avaliar um sistema acoplado do modelo atmosférico Eta ao modelo hidrológico DHSVM (Distributed Hydrology Soil Vegetation Model), aplicado a uma microbacia na região da Serra do Mar no Estado de São Paulo. Essa região, por apresentar acentuadas declividades do terreno e remanescentes de mata atlântica, requer estudos específicos, metodologias e modelos adequados às suas características. Por se tratar de um modelo hidrológico distribuído, o DHSVM necessita de uma grande quantidade de parâmetros físicos de solo e vegetação, que caracterizam em cada ponto de grade, a região de estudo. Os parâmetros encontrados para a bacia de estudo podem vir a contribuir para outros trabalhos de modelagem na região da Serra do Mar. A necessidade de dados de irradiância de onda longa para a simulação hidrológica, fez com que uma equação de estimativa da mesma fosse ajustada, podendo ser aplicada para todo o Estado de São Paulo. O principal desafio encontrado no acoplamento de modelos atmosféricos e hidrológicos é a grande diferença de escalas espacial e temporal. Este trabalho propõe uma técnica de desagregação (downscaling) para aumentar a resolução espacial dos campos de precipitação e temperatura fornecidos pelo modelo atmosférico de 10 km para 2 km. Os resultados apresentados mostraram que a qualidade das vazões simuladas dependem principalmente da qualidade do campo de precipitação de entrada ao modelo hidrológico, seja ele gerado pela interpolação de dados observados em estações de monitoramento ou gerado por modelos de previsão do tempo. A aplicação das técnicas de desagregação pouco afetaram os resultados das vazões simuladas.

A Serra do Mar é uma região de importância estratégica para o Estado de São Paulo, pela necessidade de implementar o desenvolvimento sustentável, aliando a preservação das porções remanescentes da Mata Atlântica ao desenvolvimento econômico favorecido por ferrovias, rodovias, dutovias, instalações industriais e portuárias. Importante pólo turístico, essa região tem previsão de implantação e ampliação de grandes empreendimentos nos próximos anos, fator que atua como indutor do crescimento econômico e acarreta, também, possibilidades de grande degradação ambiental decorrente de urbanização desordenada. Face a grande deficiência de dados hidrológicos das bacias hidrográficas do Litoral Norte do Estado, faz-se necessário um monitoramento da região, para que as autoridades possam planejar melhor as ações. Este estudo fornece ferramentas para um melhor entendimento sobre o comportamento hidrológico da microbacia do Rio Claro. Com 70,2 km de área, esta localiza-se nos municípios de Caraguatatuba e São Sebastião, e, atualmente é um dos principais mananciais de abastecimento desses municípios. Para tal, apresentam-se simulações de respostas hidrológicas da bacia, utilizando o modelo hidrológico DHSVM - Distributed Hydrology Soil Vegetation Model, estimativas de demanda hídrica para cenários futuros e análise da qualidade da água com fins de abastecimento público. Os resultados mostraram que a qualidade dos dados de entrada do modelo tem fundamental importância. Na análise de sensibilidade, dentre os parâmetros de solo analisados, observou-se que a condutividade hidráulica lateral é um parâmetro que se mostrou mais sensível, cabendo uma atenção maior em estudos futuros. Dentre os parâmetros de vegetação, o modelo apresentou significativas instabilidades numéricas, sobretudo para a variação do parâmetro fração de cobertura. A análise da demanda hídrica mostrou a necessidade de planejar novos sistemas de abastecimento para atender às projeções de população de Caraguatatuba e São Sebastião. A análise da qualidade de água, mostrou que a água do Rio Claro é de boa qualidade, no entanto, pode sofrer no futuro com os reflexos do crescimento urbano na região.

Neste trabalho é apresentado um método para a reconstrução de fontes de bioluminescência em águas naturais a partir de dados de irradiâncias obtidos in situ. Este problema inverso da Óptica Hidrológica é formulado como um problema de otimização não linear, assumindo que o perfil de bioluminescência a ser determinado possa ser representado por um somatório de fontes gaussianas distribuídas, e resolvido iterativametne usando um algoritmo genético híbrido. O problema direto associado é resolvido com a utilização do programa de computador Hydrolight 3.0. Este modelo resolve numericamente a equação de transferência radiativa, no caso unidimensional, invariante no tempo, usando a teoria da inserção invariante. O método proposto foi testado com dados sintéticos, isto é, dados calculados pelo programa Hydrolight, e forneceu bons resultados numéricos. São analisadas as influências do ruído e dos valores de parâmetros funcionais do algoritmo genético na reconstrução de perfis de fontes de Bioluminescência.

O objetivo deste trabalho é investigar o processo das variações do campo gravitacional, obtidas através da missão espacial GRACE e seu relacionamento com a dinâmica das águas na região Amazônica. A partir disto, procurou-se desenvolver uma metodologia para as estimativas das cotas dágua em áreas inundáveis não monitoradas ou de difícil acesso. Para isso, os coeficientes de Stokes, disponibilizados pelo GRGS de Toulouse, foram convertidos, por um processo denominado inversão, no equivalente à altura dágua (EqW) para o período de aproximadamente 4 anos (julho de 2002 a maio de 2006) e os valores comparados às cotas do nível dágua in-situ obtidas pela Agência Nacional de Águas (ANA). A escolha da bacia Amazônica está relacionada ao fato da mesma apresentar, próximo ao centro, amplitudes de aproximadamente 1250 mm no nível do EqW, sendo as maiores do mundo. A regionalização dos modelos globais das variações deste campo pôde ser aplicada para uma boa estimativa nas cotas dágua in-situ. Assim, foram estimados os erros desta metodologia, que são da ordem de ~160 mm para o EqW, oriundos dos erros nos coeficientes de Stokes, truncamento do espectro e erros de vazamento de informações hidrológicas das bacias vizinhas. Esta metodologia trata, portanto, de estimar as cotas onde não existam estações de monitoramento, avaliando a ordem de grandeza dos erros. Por fim, são apresentadas cartas que relacionam hidrogeologicamente as defasagens apresentadas nos ciclos semi-anuais e as áreas onde a metodologia poderá ser melhor aplicada com estimativas mais precisas do EqW e com maior coerência entre os dados satelitais e terrestres. / A comparison between vertically-integrated equivalent water height (EWH) derived from GRACE gravity anomalies with in situ water level time series measured at ground-based hydrometric stations (HS) in the Amazon basin is figure out in the thesis. A methodology for EWH estimation at ungauged sites is presented. The Stokes coefficients disponibilized by GRGS - Toulouse at a 10-day interval were converted into EWH for a ~4-year period (July-2002 to May-2006) using the methodology so-called inversion, and then compared to HS level. In the basin, the amplitudes of EWH signal are the largest on the Earth and can reach on the order of 1250 mm at the center of the basin (e.g. Manaus station). The uncertainties represent ~160 mm of EWH, including Stokes coefficient uncertainties, leakage errors and spectrum truncation. A methodology for acquire water level historical series at ungauged places is proposed with the estimated incertitude. A hydrological map is compared with a correlation chart and figure out areas where this methodology works better, in addition, compared also with shift phased semi-annual cycles.

O presente estudo propôs uma nova leitura dos dados do monitoramento hidrológico de sete microbacias experimentais, considerando que as variáveis que caracterizam os sistemas aquáticos destas microbacias constituem indicadores da qualidade do manejo florestal. Os objetivos do estudo foram: a) selecionar, entre as variáveis já monitoradas, os potenciais indicadores para o monitoramento hidrológico de florestas plantadas; b) testar a viabilidade da utilização da comunidade de macroinvertebrados bentônicos como indicador biológico. O estudo foi desenvolvido nas seguintes microbacias: na região do Município de Guaíba, RS, uma com floresta plantada e uma com pastagem; em Itatinga, SP, uma com floresta plantada; em Alagoinhas, BA, uma com floresta plantada e três em Imperatriz, MA, uma com floresta nativa, uma com floresta plantada de eucalipto e uma com pastagem. O estudo consistiu na análise de dados da medição contínua da vazão, da precipitação e de variáveis físicas e químicas da água dos córregos das microbacias durante diferentes períodos e também no estudo da comunidade de macroinvertebrados bentônicos por um período de um ano. Como resultado, foram selecionadas, para o início de um programa de monitoramento de florestas plantadas na escala da microbacia hidrográfica, 12 indicadores que atendem a três critérios. São eles: 1 - manutenção dos processos hidrológicos da microbacia e da qualidade das operações florestais com os indicadores balanço hídrico, picos de vazão, sólidos em suspensão, turbidez, condutividade elétrica, fósforo, oxigênio dissolvido, potássio, temperatura da água e macroinvertebrados bentônicos; 2 - manutenção do potencial produtivo do solo com os indicadores fósforo, nitrogênio, cálcio, potássio, magnésio, e sólidos em suspensão, e 3 - manutenção do equilíbrio dinâmico do ecossistema aquático, com os indicadores oxigênio dissolvido, fósforo, nitrogênio, temperatura da água, sólidos em suspensão, pH e macroinvertebrados bentônicos / This study proposes a new analysis of data from hydrological monitoring of seven experimental catchments considering that the monitored hydrological variables can be used as indicators for forest management quality. The objectives of the study were: a) select, among the monitored variables potential indicators for the hydrological monitoring of planted forests; b) investigate weather macroinvertebrate community can be used as biological variable. The study was carried out in catchments covered by Eucalyptus forests located in the Municipalities of Guaíba, State of Rio Grande do Sul, Itatinga, State of São Paulo, Alagoinhas, State of Bahia and Imperatriz, State of Maranhão; catchment covered by native forests in the Municipality of Imperatriz State of Maranhão and catchments used as pastureland in the Municipalities of Guaíba, State of Rio Grande do Sul and Imperatriz, State of Maranhão. The study involved data analysis of precipitation, streamflow and water quality variables measured during different periods and the study of the macroinvertebrate community during one-year period. As a result, 12 variables according to 3 criteria of forest sustainable management were selected. The criteria and indicators are the following: 1 - maintenance of catchment hydrologycal processes and forest management quality, for which the indicators are water balance, peak flow, suspended solids, turbidity, conductivity, phosphorus, dissolved oxygen, potassium, water temperature and benthic macroinvertebrate community; 2 – maintenance of soil productivity, with the indicators phosphorus, nitrogen, calcium, potassium, magnesium, and suspended solids, and the third criteria, maintenance of the dynamic equilibrium of aquatic ecosystem, with the indicators dissolved oxygen, phosphorus, nitrogen, water temperature, suspended solids, pH, and benthic macroinvertebrate community

No Estado do Paraná, o setor industrial de papel e celulose possui aproximadamente 200 mil hectares de área reflorestada com Pinus . A crescente demanda vem impulsionando a implantação de novas áreas, sendo imprescindível a otimização do uso da área que se apresenta como o fato central da sustentabilidade. Neste contexto, não somente o que diz respeito à produtividade propriamente dita, mas aspectos relativos à qualidade ambiental, como os recursos hídricos e a conservação do solo são importantes para a conservação do ecossistema. Esse trabalho teve como objetivo principal caracterizar a dinâmica hidrológica e a biogeoquímica de duas microbacias, cobertas respectivamente, por Mata Atlântica e Pinus taedaL. As microbacias localizadas na região centro-leste do Estado do Paraná, no Município de Telêmaco Borba, foram selecionadas com a finalidade de realizar medições de precipitação e vazão, durante o período de agosto de 2005 a julho de 2006, e principalmente quantificar o balanço dos nutrientes. De acordo com os resultados, concluiu-se que as duas microbacias apresentaram características semelhantes para a dinâmica hidrológica, para as propriedades do solo e, principalmente para o balanço geoquímico dos nutrientes. Portanto, essas constatações apóiam a hipótese para futuras comparações entre as duas microbacias e permitem inferir que prováveis mudanças que possam ocorrer poderão ser atribuídas às práticas do manejo florestal. / In the State of Paraná, Brasil, the pulp and paper industry holds about 200 thousand hectares of Pine plantatios. An increasing demand has been stimulating the implantation of new areas and this fact requires the optimization of land use practices, that which is itself a central fact for sustainability. In this context, not only from the perspective of the productivity, itself, but also in regards to environmental aspects, such as water resources and the conservation of the soil, which are important for the conservation of the ecosystem. The main objective, of this work was to characterize the hydrological and biogeochemical dynamics of two small catchments, covered wither Rainforest and Pinus taeda L. plantation. The catchments, located in the center east region of the Paraná State, in the municipality of Telêmaco Borba, were selected with the purpose of water balance calculation through continuous measurement of precipitation and streamflow, during the period of August of 2005 until July of 2006, and, mainly, the estimation of the catchment nutrients budget. The results showed that the two catchments presented similar characteristics in hydrological dynamics, as well an in soil properties and, mainly, in the geochemical nutrients budgets. Therefore, these evidences support the hypothesis for future comparisons between the two catchments and allow inferring that probable changes that can occur might be attributed to the practical forest management in one of them.

Este trabalho objetivou estabelecer relações entre evaporação de tanques Classe A e de 20 m2, em Piracicaba, SP e testar o desempenho de métodos meteorológicos de estimativa da evaporação de superfícies de água livre nessa localidade e em Jaboticabal, SP. Utilizou-se dados meteorológicos coletados em ambiente de um pequeno lago artificial em Piracicaba para cálculos dos métodos de balanço de energia-razão de Bowen, Penman, Priestley-Taylor e Penman simplificado. Dados meteorológicos observados sobre gramado foram usados para estimativa pelos métodos de Penman, Penman modificado, Dalton adaptado, Linacre e tanque Classe ASnyder. Os métodos foram avaliados utilizando índices de concordância e desempenho a partir de análise de regressão e de desvios por comparação com medidas do evaporímetro de 20 m2. Foram observadas relações lineares significativas entre os valores da evaporação dos tanques Classe A e de 20 m2 em todos os meses do ano em Piracicaba. A razão mensal entre as medidas dos evaporímetros apresentou variação ao longo do ano, com superestimativa pequena (até 3%) de fevereiro a junho e em novembro, e grande (10% a 15%) nos outros meses, em relação aos dados de Oliveira (1971) para a mesma localidade. A maior consistência estatística e representatividade da série de medidas, com 3 repetições de tanque Classe A, indicam que os fatores mensais de relações entre os dois evaporímetros podem substituir os obtidos por Oliveira (1971). Todos os métodos utilizados nos dois ambientes apresentaram boa concordância em termos médios com os observados no tanque de 20 m2, sempre com grande dispersão dos dados, diminuindo com o aumento do número de dias de contabilização da evaporação. O método de balanço de energia apresentou bom desempenho com cálculos realizados em períodos de 24 horas, mostrando desvios acentuados com contabilização no período diurno. O método de Penman mostrou bom desempenho quando utilizado para períodos de 24 horas, com subestimativas médias entre -6,0% e -10,5%, mas com superestimativas de +7,2 e +12,4% no período diurno. Os métodos de Priestley-Taylor (1972) e de Penman simplificado mostraram desvios médios pequenos (+2,7 e +5,7%), sendo considerados de bom desempenho. Para os métodos que usaram observações no posto meteorológico, o do tanque Classe ASnyder mostrou os menores desvios médios em Piracicaba (+3,9% a + 4,6%), mas apresentou maiores superestimativas (+14,0% a +14,4%) em Jaboticabal. Outra discrepância entre localidades foi observada para o método de Penmam modificado, com subestimativas entre 5,5 e 14,1% em Piracicaba, mas desvio de +1,0%, em Jaboticabal. O método original de Penman mostrou desvios similares em ambas localidades (-8,9% a 12,3%), enquanto o de Dalton adaptado apresentou desvios de +2,1% a 8,1%, mas com alta dispersão em todos dias de contabilização. Os métodos de Penman simplificado e o de Priestley-Taylor, no caso do lago, e o tanque Classe ASnyder, no caso do posto meteorológico, foram os que no geral apresentaram resultados mais comparáveis com os do tanque de 20 m2, sendo que par ao último deve-se atentar para o desvio sistemático em Jaboticabal. / This study aimed to establish relations between evaporation Class A pan and 20 m2 tank, in Piracicaba region, State of Sao Paulo, Brazil and to test the performance of meteorological methods to estimate open-water surfaces evaporation in this same region and also in Jaboticabal, SP. Computation of daily evaporation was performed by using weather data, collected in the environment of a small artificial lake in Piracicaba, and the following methods: energy balance-Bowen ratio, Penman, Priestley-Taylor and Penman simplified. The methods of Penman, Penman adapted, Dalton adapted, Linacre and of Class A pan-Snyder were evaluated by using weather station data in both regions. The results of the methods were compared with the measurements of the 20 m2 tank evaporation, in a daily basis, and also for two, three or for the mean values for all days of measurements in every month, using indexes of agreement and performance from the regression analysis and deviations from the estimated and measured values. The linear relations between evaporation measured by the two evaporimeters were significative for all months in Piracicaba. The ratio of the two measurements showed variation throughout the year, with a small overestimation (about 3%) from February to June and November, and greater (10% to 15%) in the other months, compared to results of Oliveira (1971) for the same region. Due to the statistical consistency and representativeness of the series of 9 years and 3 repetitions of Class A pan, it is indicated that the factors of monthly relations between the two evaporímeters observed in this study can advantageously replace those obtained by Oliveira (1971). All methods used in the two environments showed good agreement, in average basis, with measurements by 20 m2 tank, with large dispersion of data, which decreased with the increase of the time step. The energy balance method showed good performance when the calculations were performed in 24-h periods, but large deviations compared to the tank with data integrated over the daylight period. The Penman method showed good performance when used for periods of 24 h, with an average underestimation between - 6.0 and -10.5% when integrated over the 24-h period, but with overestimation of +7.2 and +12.4% for the daylight period. The methods of Priestley-Taylor (1972) and Penman simplified showed small deviations between +2.7 and + 5.7%, being considered as having good performance compared to the evaporimeter. Among the methods that used weather station data, the class A- Snyder was the one that showed the lowest average deviation in Piracicaba (+3.9 to + 4.6%), but the greatest overestimation (+14.0% to 14.4%) in Jaboticabal. Another discrepancy between locations was observed for the Penman method modified, with underestimation between 5.5% and 14.1% in Piracicaba, but deviation of +1.0% in Jaboticabal. The original Penman method showed similar deviations in the two regions (-8.9% to 12.3%), while Dalton adapted method showed deviations of +2.1% to 8.1%. The methods of Penman simplified and Priestley-Taylor, used in the lake environment, and the Class A pan-Snyder method, with the use of wheater station data, were those that showed most comparable results with the 20 m2 tank evaporation, but in Jaboticabal, it is necessary to take to account the observed systematic mean deviation.

A modelagem matemática da hidrologia de bacias hidrográficas é largamente utilizada em estudos de diversos tipos de problemas encontrados na engenharia hidráulica e de recursos hídricos. Nestes últimos 150 anos, muitos pesquisadores realizaram observações e experimentos sobre a natureza do ciclo hidrológico para que pudessem entender e equacionar seu comportamento. Diversos modelos diferentes surgiram baseando-se em equacionamentos físicos e empíricos, sendo que muitos destes modelos clássicos são utilizados até hoje. Para se ter uma visão mais abrangente do tema, uma revisão do estado da arte é apresentada, com uma perspectiva histórica destes modelos e seus criadores, assim como uma classificação fundamentada em suas características. Também são examinados alguns dos sistemas computacionais para modelagem hidrológica de bacias hidrográficas mais utilizados atualmente. São discutidas as hipóteses de uma simplificação do ciclo hidrológico para eventos intensos utilizados em projetos. Cada componente do ciclo hidrológico simplificado é modelado utilizando um dos diferentes modelos hidrológicos propostos, com graus de complexidade distintos. Para cada um destes modelos é realizada uma análise de sensibilidades dos seus parâmetros. Baseado nos avanços tecnológicos mais recentes na ciência da computação foi desenvolvido, em paralelo a esta pesquisa, uma ferramenta computacional que compila todos os conceitos aqui apresentados e tem distribuição acadêmica livre. / The mathematical modeling of the watershed hydrology is widely used in studies of several problems related to hydraulic and water resources engineering. On these last 150 years, many researchers accomplished observations and experiments on the nature of the hydrologic cycle in order to understand and equates its behavior. Several different models appeared basing on physical and empiric equating, and many of these classic models are being used until today. To get a more comprehensive view on the theme, a state of the art revision is presented, with an historical perspective about these models and its creators, such as a classification based on its characteristics are presented. Also some computational systems of hydrologic modeling of watershed are also examined more used now. The hypotheses of a simplification of the hydrologic cycle are discussed for intense events used in projects. Each component of the simplified hydrologic cycle is modeled using one of the different hydrologic models proposed, with distinct grades of complexity. For each one of these models a sensibility analysis of their parameter is performed. Based on the more recent technological progresses in the computational science was developed, parallel to this research, a computational tool that compiles all the concepts here presented and has free academic distribution.

Grande parte das cidades brasileiras apresenta muitos impactos ambientais causados pelo processo de urbanização. O gerenciamento de recursos hídricos em pequenas bacias é um fator crucial para resolver estes problemas. Esta dissertação apresenta uma grande ferramenta no suporte de gerenciamento à água urbana: um Sistema de Suporte a Decisão (SSD) para planejar e gerenciar bacias urbanas. O SSD pode manipular diferentes tipos de dados e pode integrar produtos em SIG para diferentes tipos de interfaces de modelos matemáticos hidrológicos. O SSD foi aplicado numa pequena bacia localizado na cidade de São Paulo, na bacia do rio Cabuçu de Baixo. Os resultados mostram a importância deste tipo de ferramenta no planejamento e elaboração de projetos. / Many Brazilian cities present a lot of negative environment impacts caused by the urbanization process. The water resources management of the urban small catchments is crucial to deal with these problems. This dissertation presents a very important tool to support urban water resources management: a Decision Support System (DSS) for planning and management of urban basins. The DSS can manipulate different kind of data and can integrate GIS products with different kind of hidrology design mathematical models. The DSS was applied to a small catchments located in São Paulo city, the Cabuçu de Baixo River. The results show the importance of this kind of tool in planning and design projects.