Para expedir uma outorga de direito de uso da água, é necessário que técnicos do órgão responsável verifiquem se existe capacidade do corpo hídrico de atender a demanda solicitada (captação ou lançamento), considerando os demais usos já existentes e a hidrologia local. Em muitos casos, no Brasil e em outros países, as análises e os cálculos necessários para esta verificação ainda são feitos de forma manual, utilizando mapas em papel e planilhas de cálculo não integradas a Sistemas de Informação Geográfica. Este trabalho apresenta uma metodologia baseada na integração de SIG e modelos hidrológicos para a análise de pedidos de outorga de uso da água. A metodologia envolve 1) a utilização de SIG para pré-processamento de dados visando a aplicação de um modelo hidrológico chuva-vazão; 2) a aplicação do modelo chuva-vazão para gerar estimativas da vazão de referência adotada como disponibilidade hídrica em cada trecho de rio em que é dividida a bacia; 3) a transferência dos resultados do modelo hidrológico de volta ao SIG; e 4) a aplicação de um Sistema de Suporte a Decisão no qual cálculos simples de balanço hídrico são realizados internamente em um SIG. É apresentado um teste da metodologia na bacia do rio dos Sinos, no Rio Grande do Sul, região na qual há um comprometimento elevado da disponibilidade hídrica de referência. Os resultados no estudo de caso mostraram que é possível aprimorar a metodologia de análise de outorga ao integrar SIG e modelagem hidrológica. / In order to grant water rights to its user, it is necessary that technicians from the institution in charge verify if there is indeed the capability from the water body to overtake the requested demands (withdrawal or effluent disposal), considering other existing uses and local hydrology. In many cases in Brazil and other countries, the required analyses are still largely made by hand, using paper maps and spreadsheets not integrated to Geographic Information Systems (GIS). This work presents a methodology based on the integration of GIS and hydrological models for analyzing and granting water rights requests. This methodology implies: 1) the use of GIS for data pre-processing and by means of using an hydrological rainfall-runoff model; 2) the application of this rainfall-runoff model to estimate the water discharge availability that can be used as a reference for every reach of the river in which the basin is divided; 3) the transfer of the hydrological model results back to the GIS; and 4) the application of a Decision Support System in which simple calculations of water balance are done entirely in GIS environment. The presented methodology was applied to the case of the Rio dos Sinos basin, in Rio Grande do Sul, Brazil, a region where water demands exceed availability. Results of this case study showed that it is possible to improve the methodology used to analyze the granting of water rights when GIS and hydrological models are integrated.

Made available in DSpace on 2015-03-26T12:31:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 1048332 bytes, checksum: d2cc8bcdce04c4c44c28d4f3c1b64a84 (MD5) Previous issue date: 2009-09-22 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The main form of agricultural land degradation is the soil water erosion which is caused by the action of rain and runoff, being affected by a large number of natural and antropic agents. Moreover, much of the water that flows over the soil surface represents a reduction in the volume of water that reaches the water table. The models are important tools for analysis, since they allow a better understanding of hydrological processes and the assesment of management practices and land use. The aim of this work was to develop and calibrate a hydrologic model to support the impact assessment of the use and management of soil on water availability and soil losses. In 2001, Pruski et al. proposed a hydrologic model to estimate the components of water balance in agricultural areas. The intensity of precipitation is obtained by a function derived from the i-d-f equation, resulting in a profile where the peak rainfall intensity occur in the beginning of precipitation and decreases until the end. The infiltration rate is based on the Green-Ampt-Mein-Larson (GAML) equation. A major limitation of the method is related to the precipitation intensity profile, because it is always associated with a recurrence period and does not properly represent the majority of natural rainfall. With regard to infiltration, the GAML equation is applied without adjustment of the input parameters, which can lead to errors in the infiltration estimate. To make easier the application of the hydrological model was developed a software (Simulação Hidrológica-SH2), whose main limitation is the difficulty of making continuous simulation. In this study we implemented some adjustments to the hydrological model: a) replacement of i-d-f equation by a double exponential equation to represent the precipitation profile; b) the parametrization of the GAML equation to estimate the infiltration rate; c) inclusion of the continuity equation for the simulation of the soil water erosion. The software was integrated with a weather generator (ClimaBR) to allow for daily simulation of hydrological processes, and a module for calculating the soil loss was added. For the evaluation of the model were used monthly and annual rainfall, runoff and soil loss data, obtained from four experimental plots located on the campus of the University of Santa Catarina State - UDESC, in the period from 2003 to 2008. The treatments were the soil without vegetation (SC), conventional tillage (PC), minimum tillage (CM) and no tillage (SD). The simulation was performed with two precipitation synthetic series, one set on a monthly basis (SABM) and another set on a daily basis (SABD). The combination of parameters which resulted in the best fit of the GAML equation was: the replacement of hydraulic conductivity (K0) by the constant infiltration rate (Tie); and the estimated matric potential at the wetting front as a function of hydraulic conductivity in the saturated zone ( Ψf(Kw)). The regression coefficients between the total monthly runoff observed and estimated showed the model has a tendency to underestimate the runoff during the months when major events occur, and to overestimate during the months when minor events were observed. With SABD the coefficients of regression equations were better than the SABM. The model underestimated the average annual runoff for SC, PC and CM, but overestimated for SD. However, were not found statistically significant differences between the observed average annual runoff and average annual runoff estimated by the model. The values of r2 were low. There was no statistically significant difference between the average soil loss rate observed and estimated by the model for the soil without vegetation (SC), but was significant for the other soil tillage. / A principal forma de degradação das terras agrícolas é a erosão hídrica do solo, que é causada pela ação da chuva e do escoamento superficial, sendo afetada por um grande número de agentes naturais e antrópicos. Além disso, grande parte da água que escoa sobre a superfície do solo representa uma redução do volume de água que atinge o lençol freático. Os modelos são ferramentas de análise importantes, uma vez que permitem uma melhor compreensão dos processos hidrológicos, a análise do desempenho de práticas de manejo e uso do solo. Assim sendo, o objetivo deste trabalho foi desenvolver e calibrar um modelo hidrológico de suporte à avaliação do impacto do uso e manejo do solo na disponibilidade de água e nas perdas de solo. Em 2001, Pruski et al. propuseram um modelo hidrológico que permite estimar os componentes do balanço hídrico em áreas agrícolas. A intensidade de precipitação é obtida por uma função derivada da equação de chuvas intensas, resultando em um perfil de precipitação onde a intensidade máxima ocorre no início da chuva e decresce até o final. A taxa de infiltração se baseia no modelo de Green-Ampt modificado por Mein-Larson (GAML). Uma das principais limitações do método está relacionada ao perfil de precipitação, pois o mesmo está sempre associado a um período de retorno e não representa adequadamente a maioria das chuvas naturais. No que diz respeito à infiltração, a equação GAML é aplicada sem ajuste dos parâmetros de entrada, o que pode levar a erros consideráveis na estimativa da infiltração. Para facilitar a aplicação do modelo hidrológico foi desenvolvido um software (Simulação Hidrológica-SH2), cuja principal limitação é a dificuldade de fazer simulação contínua. Neste trabalho foram implementadas algumas adequações ao modelo hidrológico: a) substituição da equação de chuvas intensas por uma equação dupla exponencial para representar o perfil de precipitação; b) ajuste dos parâmetros da equação GAML para estimar a taxa de infiltração; c) inclusão da equação da continuidade para a simulação da erosão hídrica. No software foi implementada a integração com um gerador de séries climáticas (ClimaBR) para permitir a simulação diária dos processos hidrológicos, e a inclusão de um módulo para o cálculo da perda de solo. Para a avaliação do modelo foram utilizados dados mensais e anuais de precipitação, escoamento superficial e perda de solo, obtidos de quatro parcelas experimentais localizadas no campus da Universidade do Estado de Santa Catarina UDESC, em Lages (SC), no período de 2003 a 2008. Os tratamentos foram o solo sem cobertura (SC), preparo convencional (PC), cultivo mínimo (CM) e semeadura direta (SD). A simulação foi realizada com duas séries sintéticas de precipitação, uma ajustada em base mensal (SABM) e a outra ajustada em base diária (SABD). A melhor combinação de ajuste da equação GAML foi: a substituição da condutividade hidráulica (K0) pela taxa de infiltração estável (Tie), e a estimativa do potencial matricial na frente de umedecimento em função da condutividade hidráulica na zona de saturação ( Ψf(Kw)). Os coeficientes de regressão entre os valores mensais observados e o estimados mostraram que o modelo apresenta a tendência de subestimar o escoamento superficial nos meses em que ocorrem os maiores eventos, e de superestimar nos meses em que ocorrem os menores eventos observados. Com a SABD os coeficientes das equações de regressão foram melhores do que com a SABM. O modelo subestimou o escoamento médio anual para o SC, PC e CM, mas superestimou para a SD. No entanto, não houve diferença estatística significativa entre o escoamento médio anual observado e o escoamento médio anual estimado pelo modelo. Os valores de r2 para a regressão entre a perda de solo mensal observada e as perdas de solo mensais estimadas pelo modelo foram baixos. Não houve diferença estatística significativa entre a perda de solo média anual observada e a estimada pelo modelo para o solo sem cobertura (SC), mas foi significativa para os demais preparos de solo.

Em regiões úmidas a relação entre os mananciais superficiais e subterrâneos se dá principalmente por meio da descarga dos aquíferos para os rios, essa dinâmica é “alimentada” principalmente pela recarga subterrânea. A área de estudo foi a Bacia do Paraná 3, localizada no Sistema Aquífero Serra Geral, no estado do Paraná. O presente trabalho estudou a recarga subterrânea em duas bacias monitoradas por estações fluviométricas a partir de três diferentes métodos, o balanço hídrico, a separação do escoamento de base usando três diferentes formas de obtenção do parâmetro BFImax (tabelado, curva de permanência e filtro inverso), e a modelagem hidrológica a partir da análise dos reservatórios subterrâneo e subsuperficial do modelo MGB-IPH. Para melhor entender as águas subterrâneas, também se utilizou o TWS do GRACE para avaliar as variações do armazenamento de água na área. Os resultados obtidos mostraram que a maioria dos métodos e suas variações convergiram em grandeza (resultados médio de 491,4±31,9mm para a bacia SFV e 270,1±39,4mm para a bacia SFF), com exceção dos resultados da aplicação da separação do escoamento de base usando o BFImax tabelado (212,0mm para a bacia SFV e 160,6mm para a bacia SFF), além disso, verificou-se que o uso do esvaziamento do reservatório subsuperficial e subterrâneo juntos (612,9±18,1mm para a bacia SFV e 372,8±25,2mm para a bacia SFF) apresenta resultados similares ao uso de filtros e ao balanço hídrico, entretanto, quando se utiliza somente o esvaziamento do reservatório subterrâneo (509,1±17,3mm para a bacia SFV e 53,5±9,7mm para a bacia SFF), somente uma estação converge em resultados, a outra apresenta valores bastante inferiores, esses resultados foram explicados pelas diferentes geomorfologias das bacias. Foi verificado que a aplicação dos filtros de separação do escoamento de base em dados simulados no modelo MGB-IPH não apresenta prejuízos em relação a aplicação dos mesmos em dados observados (<4%). A variação mensal da recarga subterrânea apresentou um comportamento concordante ao TWS do GRACE. Com os resultados obtidos um modelo hidrogeológico conceitual da área foi proposto com base nas características físicas (geomorfologia, solos, características hidráulicas e hidrológicas e dados dos poços) e com base nos resultados obtidos pela aplicação dos métodos de recarga subterrânea. O modelo mostrou que a existência de topos alongados e aplainados em regiões de baixa de declividade favorecem a recarga subterrânea frente a regiões sem topos aplainados e de maior declividade, além disso, a profundidade dos solos também explicou os resultados. / In humid regions, the relationship between groundwater sources and the rivers is mainly governed by the discharge of aquifers into rivers, this dynamics is fed mainly by groundwater recharge. The study area was the Paraná Basin 3, located in the Serra Geral Aquifer System, in the state of Paraná. The present work studied the groundwater recharge in two basins monitored by gauge stations using three different methods: the water-budget method, the hydrograph separation method using three different ways of obtaining the BFImax parameter (Eckhardt pre-defined values, Q90/Q50 ratio and backwards filter) and the hydrological modeling from the analysis of the groundwater and subsurface reservoirs of the MGB-IPH model. To better understand groundwater, TWS obtained from GRACE was also used to assess variations in water storage in the area. The results showed that most of the methods and their variations converged in magnitude (average of 491,4±31,9mm for SFV basin and 270,1±39,4mm for SFF basin), except for the results of the hydrograph separation using the Eckhardt pre-defined values of BFImax (212,0mm for SFV basin and 160,6mm for SFF basin), in addition, it was verified that the use of the emptying of the subsurface and groundwater reservoir together (612,9±18,1mm for SFV basin and 372,8±25,2mm for SFF basin) presents results similar to the use of hydrograph separation and to the water-budget method, however, when only the emptying of the groundwater reservoir is used (509,1±17,3mm for SFV basin and 53,5±9,7mm for SFF basin), only one station converged in results, the other presented lower values, these results were explained by the different geomorphologies of the basins. It was verified that the application of the hydrograph separation in simulated data does not present damages in relation to the application of the same in observed data (<4%). The monthly variation of the groundwater recharge presented a concordant behavior to the TWS. With the results obtained a conceptual hydrogeological model of the area was proposed based on the physical characteristics (geomorphology, soils, hydraulic and hydrological characteristics and hydrodynamic characteristics of the wells) and based on the results obtained by the application of groundwater recharge methods. The model showed that the existence of elongated and flattened tops in low declivity regions favors groundwater recharge compared to regions with no flattened tops and with greater declivity, in addition, soil depth also influenced the results.

Jordbruk syftar till användandet av mark för produktion av livsmedel, foder och råvaror. Reducerad jordbearbetning uppstod ursprungligen under 1900-talet för att öka lönsamheten till följd av stigande priser på drivmedel. För att sänka förbrukningen av drivmedel började bönder att bearbeta åkermarken i grundare skikt. Inom det moderna jordbruket finns det en pågående trend där en övergång från den konventionella plöjningen till reducerade bearbetningsmetoder blir allt vanligare. Idag pågår det kontinuerlig forskning som försöker tydliggöra hur olika bearbetningsmetoder påverkar jordbruksmarkens struktur. Det finns även teorier som pekar på att en övergång från konventionell plöjning till reducerad jordbearbetning kan minska mängden avrinning från åkermark, men trots det är området fortfarande relativt outforskat. Skador till följd av avrinning från kraftiga nederbördstillfällen har under modern tid ökat. I framtida prognoser förutspås det en fortsatt ökning och mer omfattande skador. Med anledning av detta kommer en bättre klimatanpassning att krävas för att minska skador som uppstår till följd av avrinning. Ett exempel på den växande problematiken inträffade 2015 i Hallsberg. Den femte september anlände ett lågtryck som förde med sig över 100 mm nederbörd. Till följd av den extrema mängden nederbörd uppstod det omfattande översvämningar i Hallsberg och på närliggande åkermarker. Från händelsen växte frågan hur en övergång från plöjning till reducerat jordbruk påverkar avrinning fram som studien syftar till att undersöka. Strategin som användes för att nå målet med studien bestod dels av en litteraturstudie samt hydrologiska modelleringar för olika jordbearbetnings metoder i programmet HEC-HMS. I litteraturstudien sammanställdes vetenskapliga studier som jämfört den fysikaliska inverkan som jordbruksmetoder har på åkermark. De hydrologiska modelleringarna baserades på information från Lantmäteriet, mätningar från tidigare undersökningar och SCS runoff curve number method (kurvnummer). Resultatet från litteraturstudien och de hydrologiska modelleringarna sammanvägdes i slutet av studien och från resultatet kunde ingen slutsats dras om hur en övergång från konventionell till reducerad jordbearbetning påverkar avrinning. För att kunna dra en slutsats behövde ett bredare vetenskapligt underlag samt en mer utvecklad modell. / Farming aims towards the utilization of soil for production of food, animal fodder and commodities. In today’s agriculture, we begin to see a gradual transition from the conventional plowing methods to reduced tillage methods. The concept of the reduced tillage originally arose to increase the profitability in agriculture as a response to the rising fuel price. To reduce the fuel consumption farmers began to cultivate the arable soil in more shallow layers. Today researchers are also trying to map how different tillage methods are affecting the soil structure in the arable soil. There are also some scientific theories which point out that a transition from conventional plowing to reduced tillage can reduce runoff from arable land, but despite the interest, the area is still relatively unexplored. Runoff due to heavy rainfall has in modern time increased. In future climate forecasts, the rainfall is predicted to increase even more. As a response to the increased rainfall, the amount of runoff will be higher and with that more extensive damages will occur. In response to these developments, the requirements for climate adjustment will increase in order to minimize the potential damage caused by runoff and flooding events. An example of this growing problem occurred in 2015 in Hallsberg. Between 5 and 6 September, a low-pressure weather system brought down about 100 mm of precipitation. Due to the extreme amount of the rainfall, large floods occurred all over Hallsberg as well as in the nearby arable land. From this event, the question of how a transition from conventional plowing methods to reduced tillage affects the runoff from rainfall emerged. The strategy used for the study consisted of a literature review and hydrological modeling for various soil tillage methods in the program HEC-HMS. In the literature review, scientific studies that compared the physical soil impact from different farming method were compiled. The basis for the hydrological model was created on collected information from the Swedish mapping, cadastral and land registration authority, the literature study and SCS runoff curve method. No clear conclusion could be drawn from the study. To be able to draw a conclusion from the compiled literature and the hydrological model a broader basis of scientific literature and a more developed model was needed.

Em regiões úmidas a relação entre os mananciais superficiais e subterrâneos se dá principalmente por meio da descarga dos aquíferos para os rios, essa dinâmica é “alimentada” principalmente pela recarga subterrânea. A área de estudo foi a Bacia do Paraná 3, localizada no Sistema Aquífero Serra Geral, no estado do Paraná. O presente trabalho estudou a recarga subterrânea em duas bacias monitoradas por estações fluviométricas a partir de três diferentes métodos, o balanço hídrico, a separação do escoamento de base usando três diferentes formas de obtenção do parâmetro BFImax (tabelado, curva de permanência e filtro inverso), e a modelagem hidrológica a partir da análise dos reservatórios subterrâneo e subsuperficial do modelo MGB-IPH. Para melhor entender as águas subterrâneas, também se utilizou o TWS do GRACE para avaliar as variações do armazenamento de água na área. Os resultados obtidos mostraram que a maioria dos métodos e suas variações convergiram em grandeza (resultados médio de 491,4±31,9mm para a bacia SFV e 270,1±39,4mm para a bacia SFF), com exceção dos resultados da aplicação da separação do escoamento de base usando o BFImax tabelado (212,0mm para a bacia SFV e 160,6mm para a bacia SFF), além disso, verificou-se que o uso do esvaziamento do reservatório subsuperficial e subterrâneo juntos (612,9±18,1mm para a bacia SFV e 372,8±25,2mm para a bacia SFF) apresenta resultados similares ao uso de filtros e ao balanço hídrico, entretanto, quando se utiliza somente o esvaziamento do reservatório subterrâneo (509,1±17,3mm para a bacia SFV e 53,5±9,7mm para a bacia SFF), somente uma estação converge em resultados, a outra apresenta valores bastante inferiores, esses resultados foram explicados pelas diferentes geomorfologias das bacias. Foi verificado que a aplicação dos filtros de separação do escoamento de base em dados simulados no modelo MGB-IPH não apresenta prejuízos em relação a aplicação dos mesmos em dados observados (<4%). A variação mensal da recarga subterrânea apresentou um comportamento concordante ao TWS do GRACE. Com os resultados obtidos um modelo hidrogeológico conceitual da área foi proposto com base nas características físicas (geomorfologia, solos, características hidráulicas e hidrológicas e dados dos poços) e com base nos resultados obtidos pela aplicação dos métodos de recarga subterrânea. O modelo mostrou que a existência de topos alongados e aplainados em regiões de baixa de declividade favorecem a recarga subterrânea frente a regiões sem topos aplainados e de maior declividade, além disso, a profundidade dos solos também explicou os resultados. / In humid regions, the relationship between groundwater sources and the rivers is mainly governed by the discharge of aquifers into rivers, this dynamics is fed mainly by groundwater recharge. The study area was the Paraná Basin 3, located in the Serra Geral Aquifer System, in the state of Paraná. The present work studied the groundwater recharge in two basins monitored by gauge stations using three different methods: the water-budget method, the hydrograph separation method using three different ways of obtaining the BFImax parameter (Eckhardt pre-defined values, Q90/Q50 ratio and backwards filter) and the hydrological modeling from the analysis of the groundwater and subsurface reservoirs of the MGB-IPH model. To better understand groundwater, TWS obtained from GRACE was also used to assess variations in water storage in the area. The results showed that most of the methods and their variations converged in magnitude (average of 491,4±31,9mm for SFV basin and 270,1±39,4mm for SFF basin), except for the results of the hydrograph separation using the Eckhardt pre-defined values of BFImax (212,0mm for SFV basin and 160,6mm for SFF basin), in addition, it was verified that the use of the emptying of the subsurface and groundwater reservoir together (612,9±18,1mm for SFV basin and 372,8±25,2mm for SFF basin) presents results similar to the use of hydrograph separation and to the water-budget method, however, when only the emptying of the groundwater reservoir is used (509,1±17,3mm for SFV basin and 53,5±9,7mm for SFF basin), only one station converged in results, the other presented lower values, these results were explained by the different geomorphologies of the basins. It was verified that the application of the hydrograph separation in simulated data does not present damages in relation to the application of the same in observed data (<4%). The monthly variation of the groundwater recharge presented a concordant behavior to the TWS. With the results obtained a conceptual hydrogeological model of the area was proposed based on the physical characteristics (geomorphology, soils, hydraulic and hydrological characteristics and hydrodynamic characteristics of the wells) and based on the results obtained by the application of groundwater recharge methods. The model showed that the existence of elongated and flattened tops in low declivity regions favors groundwater recharge compared to regions with no flattened tops and with greater declivity, in addition, soil depth also influenced the results.

Para expedir uma outorga de direito de uso da água, é necessário que técnicos do órgão responsável verifiquem se existe capacidade do corpo hídrico de atender a demanda solicitada (captação ou lançamento), considerando os demais usos já existentes e a hidrologia local. Em muitos casos, no Brasil e em outros países, as análises e os cálculos necessários para esta verificação ainda são feitos de forma manual, utilizando mapas em papel e planilhas de cálculo não integradas a Sistemas de Informação Geográfica. Este trabalho apresenta uma metodologia baseada na integração de SIG e modelos hidrológicos para a análise de pedidos de outorga de uso da água. A metodologia envolve 1) a utilização de SIG para pré-processamento de dados visando a aplicação de um modelo hidrológico chuva-vazão; 2) a aplicação do modelo chuva-vazão para gerar estimativas da vazão de referência adotada como disponibilidade hídrica em cada trecho de rio em que é dividida a bacia; 3) a transferência dos resultados do modelo hidrológico de volta ao SIG; e 4) a aplicação de um Sistema de Suporte a Decisão no qual cálculos simples de balanço hídrico são realizados internamente em um SIG. É apresentado um teste da metodologia na bacia do rio dos Sinos, no Rio Grande do Sul, região na qual há um comprometimento elevado da disponibilidade hídrica de referência. Os resultados no estudo de caso mostraram que é possível aprimorar a metodologia de análise de outorga ao integrar SIG e modelagem hidrológica. / In order to grant water rights to its user, it is necessary that technicians from the institution in charge verify if there is indeed the capability from the water body to overtake the requested demands (withdrawal or effluent disposal), considering other existing uses and local hydrology. In many cases in Brazil and other countries, the required analyses are still largely made by hand, using paper maps and spreadsheets not integrated to Geographic Information Systems (GIS). This work presents a methodology based on the integration of GIS and hydrological models for analyzing and granting water rights requests. This methodology implies: 1) the use of GIS for data pre-processing and by means of using an hydrological rainfall-runoff model; 2) the application of this rainfall-runoff model to estimate the water discharge availability that can be used as a reference for every reach of the river in which the basin is divided; 3) the transfer of the hydrological model results back to the GIS; and 4) the application of a Decision Support System in which simple calculations of water balance are done entirely in GIS environment. The presented methodology was applied to the case of the Rio dos Sinos basin, in Rio Grande do Sul, Brazil, a region where water demands exceed availability. Results of this case study showed that it is possible to improve the methodology used to analyze the granting of water rights when GIS and hydrological models are integrated.

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

CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / The interaction between surface water and groundwater is a dynamic process in time and space influenced by factors such as soil moisture, hydrodynamic properties, geomorphology, storage and runoff. The quantification and modeling of the processes related to this dynamic constitute prerequisites for the effective water resources management, given that this interaction affects water availability, especially in semi-arid regions. Before this problem, this study aimed to simulate hydrological processes flow transmission between river and groundwater in basins characterized by distinct lithologies, inserted in the Brazilian semiarid region by generating a semi distributed and flexible hydrological model. Two distinct basins of Cearà semiarid region were monitored and used for application of the model developed. A watershed located in sedimentary structure with large underground water reserves (SÃo Jose watershed in the sedimentary basin of Araripe - South of CearÃ) and the other one inserted into the crystalline environment and characterized by water scarcity (Patos-CariÃs-Iguatu subbasin - Jaguaribe river stretch in the Central-South region of CearÃ). The monitoring of these areas between 2010 and 2014 enabled the generation of data and the choice of 10 events from each watershed monitored to evaluate the dynamic river-aquifer. In the evaluation of the data obtained by the monitoring observed aquifer recharges when large volumes precipitates occur in short periods of time. The high temporal spacing difficult the generation of large flows and the rising water levels of the alluvial aquifer. The proposed model was developed considering the three main processes of river-aquifer interaction: full wave propagation, vertical infiltration and groundwater flow. The simulations of the events showed that conductance of the riverbed and effective porosity are the most sensitive parameters of the model. Variations of these parameters allowed the reduction of flood peaks and consequently increases in the aquifer hydraulic loads. However, the simulations showed an underestimation of the hydraulic loads of the aquifer. For the surface discharges were obtained low efficiency ratios (-16.73 to -3.43) for short-term events and small magnitude. Already for long term events and high magnitude, the Nash and Sutcliffe efficiency coefficient performed between 0 and 1 (0.35 to 0.49), indicating a good behavior of the models used. However, for these events the average absolute error between the measured and the simulated loads remained high. The model needs to be adjusted to better define the dynamics of the river-aquifer interaction. A greater number of simulations in both watersheds, with the available events could indicate better where adjustments must be made. The possibility of application of MIRAS model in different lithological means and different spatial scales of semi-arid regions was not possible due to the inability to simulate the model for MHSJ. Thus, one must understands the failure to formulate an alternative and possibly improve the model. Because the use of this tool is the best option for resolving problems and decision making. / A interaÃÃo entre Ãgua superficial e subterrÃnea à um processo dinÃmico no tempo e no espaÃo influenciado por fatores como umidade do solo, propriedades hidrodinÃmicas, geomorfologia, armazenamento e escoamento superficial. A quantificaÃÃo e a modelagem dos processos relacionados a essa dinÃmica constituem-se prÃ-requisitos para a gestÃo eficiente de bacias hidrogrÃficas, haja vista que essa interaÃÃo afeta a disponibilidade hÃdrica, principalmente em regiÃes semiÃridas. Diante dessa problemÃtica, este estudo objetivou simular processos hidrolÃgicos de transmissÃo de fluxo entre rio e aquÃfero em bacias hidrogrÃficas caracterizadas por litologias distintas, inseridas na regiÃo semiÃrida brasileira, atravÃs da geraÃÃo de um modelo hidrolÃgico semidistribuÃdo e flexÃvel. Duas bacias hidrogrÃficas distintas da regiÃo semiÃrida cearense foram monitoradas e utilizadas para aplicaÃÃo do modelo desenvolvido. Uma microbacia localizada em meio sedimentar com grandes reservas hÃdricas subterrÃneas (microbacia hidrogrÃfica do SÃo Josà na bacia sedimentar do Araripe â Sul do CearÃ) e a outra inserida no meio cristalino e caracterizada por escassez hÃdrica (bacia hidrogrÃfica Patos-CariÃs-Iguatu â trecho do rio Jaguaribe na regiÃo Centro-Sul do CearÃ). O monitoramento dessas Ãreas entre 2010 e 2014 possibilitou a geraÃÃo de dados e a escolha de 10 eventos de cada bacia monitorada para avaliaÃÃo da dinÃmica rio-aquÃfero. Na avaliaÃÃo dos dados obtidos pelo monitoramento observou-se recargas aquÃferas quando grandes volumes precipitados ocorrem em curtos espaÃos de tempo. O elevado espaÃamento temporal dificultaram a geraÃÃo de grandes vazÃes e a elevaÃÃo dos nÃveis freÃticos do aquÃfero aluvionar. O modelo proposto foi elaborado considerando os trÃs principais processos da interaÃÃo rio-aquÃfero: propagaÃÃo de onda de cheia, infiltraÃÃo vertical e fluxo subterrÃneo. As simulaÃÃes dos eventos mostraram que condutÃncia do leito do rio e porosidade efetiva sÃo os parÃmetros mais sensÃveis do modelo. VariaÃÃes desses parÃmetros possibilitaram a reduÃÃo dos picos de cheia e consequentemente acrÃscimos nas cargas hidrÃulicas aquÃferas. No entanto, as simulaÃÃes realizadas apresentaram subestimativas das cargas hidrÃulicas do aquÃfero. Para as descargas superficiais obteve-se baixos coeficientes de eficiÃncia (-16,73 a -3,43) para eventos de curta duraÃÃo e pequena magnitude. Jà para eventos de longa duraÃÃo e elevada magnitude, o coeficiente de eficiÃncia de Nash e Sutcliffe apresentou-se entre 0 e 1 (0,35 a 0,49), indicando um bom comportamento dos modelos utilizados. No entanto, para esses eventos o erro mÃdio absoluto entre as cargas medidas e as simuladas continuaram elevados. O modelo precisa de ajustes para definir melhor a dinÃmica da interaÃÃo rio-aquÃfero. Um nÃmero maior de simulaÃÃes nas duas bacias hidrogrÃficas, com os eventos disponÃveis poderia indicar melhor onde devem ser feitos os ajustes. A possibilidade de aplicaÃÃo do modelo MIRAS em diferentes meios litolÃgicos e escalas espaciais distintas de regiÃes semiÃridas nÃo fora possÃvel devido à impossibilidade de simular o modelo para a MHSJ. Dessa forma, precisa-se entender as falhas para formular uma alternativa e, possivelmente, melhorar o modelo. Pois, o uso dessa ferramenta à a melhor opÃÃo para a resoluÃÃo de problemas e tomada de decisÃo.

Para expedir uma outorga de direito de uso da água, é necessário que técnicos do órgão responsável verifiquem se existe capacidade do corpo hídrico de atender a demanda solicitada (captação ou lançamento), considerando os demais usos já existentes e a hidrologia local. Em muitos casos, no Brasil e em outros países, as análises e os cálculos necessários para esta verificação ainda são feitos de forma manual, utilizando mapas em papel e planilhas de cálculo não integradas a Sistemas de Informação Geográfica. Este trabalho apresenta uma metodologia baseada na integração de SIG e modelos hidrológicos para a análise de pedidos de outorga de uso da água. A metodologia envolve 1) a utilização de SIG para pré-processamento de dados visando a aplicação de um modelo hidrológico chuva-vazão; 2) a aplicação do modelo chuva-vazão para gerar estimativas da vazão de referência adotada como disponibilidade hídrica em cada trecho de rio em que é dividida a bacia; 3) a transferência dos resultados do modelo hidrológico de volta ao SIG; e 4) a aplicação de um Sistema de Suporte a Decisão no qual cálculos simples de balanço hídrico são realizados internamente em um SIG. É apresentado um teste da metodologia na bacia do rio dos Sinos, no Rio Grande do Sul, região na qual há um comprometimento elevado da disponibilidade hídrica de referência. Os resultados no estudo de caso mostraram que é possível aprimorar a metodologia de análise de outorga ao integrar SIG e modelagem hidrológica. / In order to grant water rights to its user, it is necessary that technicians from the institution in charge verify if there is indeed the capability from the water body to overtake the requested demands (withdrawal or effluent disposal), considering other existing uses and local hydrology. In many cases in Brazil and other countries, the required analyses are still largely made by hand, using paper maps and spreadsheets not integrated to Geographic Information Systems (GIS). This work presents a methodology based on the integration of GIS and hydrological models for analyzing and granting water rights requests. This methodology implies: 1) the use of GIS for data pre-processing and by means of using an hydrological rainfall-runoff model; 2) the application of this rainfall-runoff model to estimate the water discharge availability that can be used as a reference for every reach of the river in which the basin is divided; 3) the transfer of the hydrological model results back to the GIS; and 4) the application of a Decision Support System in which simple calculations of water balance are done entirely in GIS environment. The presented methodology was applied to the case of the Rio dos Sinos basin, in Rio Grande do Sul, Brazil, a region where water demands exceed availability. Results of this case study showed that it is possible to improve the methodology used to analyze the granting of water rights when GIS and hydrological models are integrated.

Made available in DSpace on 2016-12-23T14:37:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Maycon Patricio de Hollanda.pdf: 2102332 bytes, checksum: a634a767fbb8a76a1897076e187fba8a (MD5) Previous issue date: 2012-12-19 / A utilização não sustentável dos recursos naturais tem gerado condições de escassez ou até mesmo esgotamento de alguns destes recursos. A água é um dos recursos naturais mais ameaçados pela exploração não sustentável. O estudo em bacias hidrográficas possibilita a integração dos fatores que condicionam a qualidade e a quantidade dos recursos hídricos, com os seus reais condicionantes físicos e antrópicos. A modelagem matemática constitui uma importante ferramenta para o gerenciamento dos recursos hídricos e o estudo geográfico de bacias hidrográficas. Do exposto, objetivou-se, avaliar a aplicabilidade do TOPMODEL para simular a vazão máxima (Qmáx), lâmina de escoamento superficial (LES) e hidrogramas de escoamento superficial em eventos de precipitação na microbacia hidrográfica do córrego Jaqueira (MCJ). A área de estudo possui 0,22 km², cinco tipos de uso e cobertura do solo, e um rio perene. Os dados de entrada do modelo constituíram-se do Indice topográfico, gerado a partir do MNT com resolução de 7m X 7m, da capacidade de água disponível na zona radicular, obtida por meio da média ponderada de cada valor para cada cobertura do solo, do déficit inicial de umidade na zona radicular, sendo considerado como 40% do SRmáx, da velocidade de propagação em canal, calculado a partir do tempo de concentração, e do armazenamento exponencial e da transmissividade efetiva do solo, ambos obtidos em literatura. Foram escolhidos 20 eventos durante o período de 19 de julho de 2009 a 28 de dezembro de 2011, no qual foram escolhidos de forma aleatória 6 eventos para calibração e 14 eventos para validação do modelo. Os eventos simulados no processo de calibração mostrou tendência de subestimar a Qmáx e LES em média 71% e 51%, respectivamente, ao final do processo foi calculado a média dos parâmetros de entrada tendo como critério os valores dos eventos que apresentaram valores positivos de eficiência, para serem utilizados no processo de validação. Após simular os 14 eventos destinados ao processo de validação do modelo, observou-se a tendência do modelo em simular 4 tipos de hidrogramas, que são, eventos em que os valores de Qmáx e LES foram subestimados em média de 50%, eventos que apresentam simulações com dois picos de Qmáx, em que o primeiro pico é subestimado e o segundo superestimado, eventos que apresentaram os melhores valores de eficiência com um pico bem definido, e eventos que apresentaram os piores valores de eficiência. Sendo que em resumo o modelo subestimou a Qmáx em 71% dos eventos e a LES em 51% dos eventos. Cabe destacar os eventos 6, 10 e 14 onde apresentaram eficiência acima de 0,70, e os eventos 9 e 11,em que por não terem suas amplitudes de intensidade de precipitação englobadas no processo de calibração apresentaram os piores resultados entre todos os eventos de validação analisados. Apesar do TOPMODEL apresentar baixa eficiência em diversas simulações dos hidrogramas de vazão de escoamento superficial, o modelo é promissor na modelagem dos hidrogramas, uma vez que os valores de vazão analisados na MCJ são muito pequenos / The unsustainable use of natural resources has generated conditions of scarcity or even exhaustion of some of these resources. Water is a natural resource most threatened by unsustainable exploration. The study watersheds enables integration of the factors that influence the quality and quantity of water resources, with its real physical and human constraints. Mathematical modeling is an important tool for the management of water resources and geographical study watershed. From the above, our aim was to evaluate the applicability of TOPMODEL to simulate the maximum flow (Qmáx), blade runoff (LES) and the runoff hydrographs for rainfall events in the microbasin hydrographic Jaqueira (MCJ). The study area has 0.22 km ², five types of land use and land cover, and a perennial river. The input data of the model consisted of topographic index, generated from the DEM with resolution of 7m x 7m, the available water capacity in the root zone, obtained by weighted average of each value for each ground cover, the initial deficit of moisture in the root zone, considered as 40% of SRmáx, propagation velocity in the channel, calculated from the time of concentration and storage exponential transmissivity and effective soil, both obtained in literature. 20 events were chosen during the July 19th, 2009 to December 28th, 2011, which were randomly selected for calibration 6 events and 14 events for model validation. The simulated events in the calibration process tended to underestimate the Qmáx and LES averaged 71% and 51%, respectively, at the end of the process was calculated average of the input parameters and values as a criterion of events that showed positive values efficiency to be used in the validation process. After the 14 events designed to simulate the process of validating the model, we observed a tendency of the model to simulate four types of hydrographs, which are events in which the values of Qmáx and LES were underestimated on average by 50%, events that showing simulations with two peaks Qmáx, where the first was underestimated and the second peak was overestimated, events that showed the best efficiency with a well defined peak, and events that showed the worst performance. In summary the model underestimated the Qmáx in 71% of events and the LES in 51% of events. It is worth mentioning events 6, 10 and 14 when it showed an accuracy of 0.70, and events 9 and 11, as for not their amplitudes of rainfall intensity encompassed by the calibration procedure gave the poorest results among all events Validation analyzed. Despite the low efficiency in TOPMODEL present several simulations of flow hydrographs of runoff, the model is promising in modeling of hydrographs, once that the values of flow analyzed in MCJ are very small