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

Doctor of Philosophy / Department of Biological & Agricultural Engineering / Aleksey Y. Sheshukov / As the world faces an increasing demand for food due to the growing global population and the pernicious effects of land degradation, there is a need to overcome this challenge by using sustainable management practices for agricultural productions. One of the problems, which sustainable agriculture seeks to address, is the loss of topsoil due to soil erosion. Changing weather patterns also contribute to the average annual rainfall across the globe with an excess precipitation, which creates runoff and causes soil erosion. One of the significant yet less studied types of soil erosion is ephemeral gully erosion. Formed by the concentrated overland flow during intensive rainfall events, ephemeral gullies are channels on agricultural fields that can be removed by tillage operations but appear at the same location every year. Even though simplified ephemeral gully models estimate soil losses, they do not account for complicated hydrological and soil erosion processes of channel formations. The purpose of this research work is to investigate sediment sources and develop tools that can predict ephemeral gully erosion more efficiently. To achieve this goal, an experimental study was conducted on an agricultural field in central Kansas by tracking channel development, monitoring soil moisture content, and recording the amount of rainfall. Runoff and sediment loads from contributing catchment and critical and actual shear stresses were estimated by the computer model, and conclusions were made on the effect of saturation dynamics on the erosion processes. Furthermore, a two-dimensional subsurface water flow and soil erosion model was developed with the variable soil erodibility parameters which account for the subsurface fluxes and the effects on the soil detachment process. The model was applied to study the impacts of variable soil erodibility parameters on the erosion process for different soils and various antecedent soil moisture conditions. Also developed to estimate the soil losses at the field scale was an integrated spatially-distributed ephemeral gully model with dynamic time-dependent channel development. The model showed good fit by matching the experimental data. The results from this work can be used to advance the research of soil erosion prediction from concentrated flow channels and ephemeral gullies formed on agricultural fields.

abstract: Ecohydrological responses to rainfall in the North American monsoon (NAM) region lead to complex surface-atmosphere interactions. In early summer, it is expected that soil properties and topography act as primary controls in hydrologic processes. Under the presence of strongly dynamic ecosystems, catchment hydrology is expected to vary substantially in comparison to other semiarid areas, affecting our understanding of ecohydrological processes and the parameterization of predictive models. A large impediment toward making progress in this field is the lack of spatially extensive observational data. As a result, it is critical to integrate numerical models, remote sensing observations and ground data to understand and predict ecohydrological dynamics in space and time, including soil moisture, evapotranspiration and runoff generation dynamics. In this thesis, a set of novel ecohydrological simulations that integrate remote sensing and ground observations were conducted at three spatial scales in a semiarid river basin in northern Sonora, Mexico. First, single site simulations spanning several summers were carried out in two contrasting mountain ecosystems to predict evapotranspiration partitioning. Second, a catchment-scale simulation was conducted to evaluate the effects of spatially-variable soil thickness and textural properties on water fluxes and states during one monsoon season. Finally, a river basin modeling effort spanning seven years was applied to understand interannual variability in ecohydrological dynamics. Results indicated that ecohydrological simulations with a dynamic representation of vegetation greening tracked well the seasonal evolution of observed evapotranspiration and soil moisture at two measurement locations. A switch in the dominant component of evapotranspiration from soil evaporation to plant transpiration was observed for each ecosystem, depending on the timing and magnitude of vegetation greening. Furthermore, spatially variable soil thickness affects subsurface flow while soil texture controls patterns of surface soil moisture and evapotranspiration during the transition from dry to wet conditions. Finally, the ratio of transformation of precipitation into evapotranspiration (ET/P) and run off (Q/P) changed in space and time as summer monsoon progresses. The results of this research improve the understanding of the ecohydrology of NAM region, which can be useful for developing sustainable watershed management plans in the face of anticipated land cover and climate changes. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Geological Sciences 2014

Submitted by Viviane Lima da Cunha (viviane@biblioteca.ufpb.br) on 2016-04-25T14:04:32Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2929937 bytes, checksum: 376e02f958696431fc9eac73593574cf (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-25T14:04:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2929937 bytes, checksum: 376e02f958696431fc9eac73593574cf (MD5) Previous issue date: 2015-08-28 / The modelling of river basins is becoming an essential tool for management of water resources, mainly in the basins located in semi-arid portion, such as Taperoá River basin. This basin drains an area of 5,667 km², and has been suffering with the variability of hydrological processes in the semi-arid portion of Paraiba. The objective of this study is to analyze the relationship between forms of land use and cover and the runoff and erosion processes in the Taperoá River basin. In order to development of the study, rainfall, temperature and humidity data from 1970 to 1993, soil types map, land cover map and digital elevation model with spatial resolution of 30 m were used. The model was calibrated and validated by comparing simulated mean monthly runoff with observed long-term mean monthly runoff for runoff gauge Poço das Pedras. The results showed the effectiveness of the model for the analysis of runoff process with average observed runoff = 6.86 m³/s and average simulated runoff = 7.73 m³/s, while the sediment yield was 2.5 t/ha/yr. From the morphometric data and maps generated it can be performed further studies in the areas of preservation and probable land use, facilitating the process of planning and management of water resources. / A modelagem de bacias hidrográficas vem se tornando uma ferramenta essencial para manejo dos recursos hídricos, principalmente, nas bacias localizadas na porção semiárida, como é o caso da bacia do Rio Taperoá. Essa bacia drena uma área de 5.667 km2, sendo uma das que mais sofre com a variabilidade dos processos hidrológicos na porção semiárida da Paraíba. Assim, o objetivo deste trabalho é analisar as relações entre as formas de uso e ocupação do solo e os processos de vazão e erosão na bacia do Rio Taperoá. Neste trabalho foram utilizados dados de precipitação, temperatura e umidade para o período de 1970 à 1993, além de mapas dos tipos de solos, uso e ocupação do solo e modelo de elevação digital. Valores simulados pelo modelo SWAT foram comparados com dados de vazão medidos e de produção de sedimentos estimados. O modelo foi calibrado e validado, usando dados mensais de vazão para o posto fluviométrico Poço de Pedras. Os resultados mostram um bom ajuste, com vazão média observada de 6,86 m³/s e vazão média simulada de 7,73 m³/s, enquanto a produção de sedimentos para todo o período de 2,5 t/ha/ano. A partir dos dados morfométricos e dos mapas gerados, é possível realizar estudos mais aprofundados das áreas de preservação e prováveis usos do solo, facilitando o processo de planejamento e gestão de recursos hídricos.

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

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de NÃvel Superior / Para tentar auxiliar na resoluÃÃo do problema da seca, as decisÃes polÃticas priorizaram a construÃÃo de reservatÃrios, produzindo âredes de alta densidade de reservatÃriosâ na regiÃo Nordeste Brasileira. Via de regra, a construÃÃo de um reservatÃrio interrompe o fluxo natural do rio, interferindo, assim, na dinÃmica de Ãgua a jusante. Objetivou com esse trabalho estudar os processos envolvidos na conectividade hidrolÃgica, bem como a interferÃncia da rede de mÃltiplos reservatÃrios na conectividade hidrolÃgica de uma grande bacia semiÃrida. O estudo de caso à a bacia hidrogrÃfica do aÃude OrÃs â BHAO (24.211 km2), situada no SemiÃrido do CearÃ. A pesquisa foi iniciada com o levantamento da topologia da rede densa de reservatÃrio da BHAO, realizada utilizando tÃcnicas de sensoriamento remoto (SR), ferramentas de geoprocessamento (SIG) e imagem de satÃlite no fim do perÃodo chuvoso de 2011. A anÃlise da conectividade hidrolÃgica foi realizada usando o modelo âReservoir Network Modelâ (ResNetM), que simulou os processos hidrolÃgicos e considerou a conectividade hidrolÃgica entre os reservatÃrios, conforme os critÃrios estabelecidos nesta pesquisa. Na busca de se identificar os principais elementos naturais e antrÃpicos da bacia que afetam a conectividade hidrolÃgica, foi realizada uma anÃlise de sensibilidades (IS) de alguns parÃmetros de entrada do modelo, o que possibilitou avaliar o impacto da rede de reservatÃrios sobre o volume armazenado no aÃude OrÃs. O levantamento da rede de reservatÃrios com SR e ferramentas automÃticas de SIG demonstrou duas falhas: a interpretaÃÃo de sombras como reservatÃrios e a mà identificaÃÃo da superfÃcie da Ãgua real devido à presenÃa de macrÃfitas nos reservatÃrios. Desse modo, foram gerados automaticamente 6.002 polÃgonos, dos quais, apÃs ajuste manual, confirmaram-se, como reservatÃrios, apenas 4.717 polÃgonos (79%). A pesquisa constatou que, na Ãltima dÃcada, ocorreu um aumento de 17,5% no nÃmero de reservatÃrio da BHAO e que, nas regiÃes com embasamento cristalino, a densidade de reservatÃrios à 80% maior do que nas regiÃes sobre geologia sedimentar. A anÃlise de sensibilidade indicou que o nÃmero de reservatÃrio da rede foi a variÃvel à qual o sistema apresentou maior sensibilidade (IS = 1,07), considerando-se a conectividade hidrolÃgica. Contrariamente, a variaÃÃo da evaporaÃÃo (IS = 0,19) e da perda em trÃnsito (IS= 0,01) nÃo induziu a mudanÃas significativas da conectividade hidrolÃgica da BHAO. O volume armazenado no aÃude OrÃs nÃo sofreu mudanÃas significativas (IS = 0,21) ao se modificar a topologia da rede de reservatÃrio. Por exemplo, ao se simular a retirada dos pequenos e mÃdios reservatÃrios da rede (4.664, ou 98,9% dos reservatÃrios), o aÃude OrÃs indicou um acrÃscimo de apenas 14% em seu volume mÃdio armazenado. Com base nas observaÃÃes, concluiu-se que ocorreu uma reduÃÃo na taxa de incremento anual de reservatÃrios na BHAO nos Ãltimos 10 anos, o que marca o inÃcio da fase de estabilizaÃÃo da referida rede. Entre os elementos naturais avaliados, o coeficiente de escoamento superficial (natural) foi o que demonstrou maior significÃncia para a conectividade hidrolÃgica. Sua importÃncia deve-se ao fato de, no sistema natural da BHAO, raramente se observa escoamento de base significativo. Dos elementos antrÃpicos analisados, a rede densa de reservatÃrios, obteve a maior importÃncia para a conectividade hidrolÃgica. O motivo para esse comportamento à que os reservatÃrios promovem a laminaÃÃo da onda de cheia, aumentando o nÃmero de dias com vazÃo fluvial e, consequentemente, maior frequÃncia da conectividade hidrolÃgica. AlÃm disso, novos reservatÃrios diminuem o comprimento dos trechos a serem ligados, atenuando as perdas em trÃnsito e facilitando a ocorrÃncia da conectividade hidrolÃgica. A variaÃÃo da rede de reservatÃrio comprovou que, ao diminuir o nÃmero de reservatÃrio da rede, ocorre uma reduÃÃo na conectividade hidrolÃgica da BHAO, porÃm, nÃo altera significativamente a vazÃo afluente ao aÃude OrÃs, o exutÃrio da bacia deste trabalho. A rede densa de reservatÃrios provou que, no inÃcio do perÃodo chuvoso, atua como barreira à vazÃo fluvial, causando a quebra da conectividade hidrolÃgica. Com o passar do tempo e com a continuidade da precipitaÃÃo, os milhares de reservatÃrios favorecem a conectividade hidrolÃgica por meio da laminaÃÃo da onda de cheia. / Attempting to solve the drought problem, political decisions prioritized the construction of reservoirs, what eventually resulted in the construction of a "high density network of reservoirs" in the Brazilian Northeast. Usually, a reservoir interrupts the natural river flow, thus interfering in the water dynamics downstream. This work was aimed at studying the processes involved in the hydrological connectivity as well as the interference of multiple reservoirs in the hydrologic network connectivity of a large semiarid basin. The case study is the catchment area of the OrÃs - BHAO (24,211 km2 ) reservoir, located in Semiarid CearÃ. The research began with a survey of the BHAO dense reservoir network topology, conducted using remote sensing (RS), GIS tools (GIS) and satellite image at the end of the 2011 rainy season. The hydrological connectivity analysis was performed using the 'Reservoir Network Model' (ResNetM), which simulated hydrologic processes and considered the hydrological connectivity between the reservoirs, according to the criteria established in this research model. While seeking to identify the key natural and anthropogenic factors affecting the hydrological connectivity of the basin, an analysis of input sensitivity (IS) of some input parameters of the model was performed, this allowed us to evaluate the reservoir network impact on the stored volume on the OrÃs reservoir. The survey of the network of reservoirs with SR and automatic GIS tools showed two shortcomings: the misinterpretation of shadows as reservoirs and the misidentification of the actual water surface due to the macrophyte presence in reservoirs. Thus, of the 6,002 automatically generated polygons, only 4717 polygons (79%) were confirmed as reservoirs, after manual adjustment. The survey found that in the last decade, there was a 17.5% increase in the number of BHAO reservoirs and that, in regions with crystalline geology, the density of reservoirs is 80% higher than in regions of sedimentary geology. The sensitivity analysis indicated that the number of reservoirs in the network was the variable to which the system showed higher sensitivity (SI = 1.07), considering the hydrological connectivity. In contrast, the evaporation variation (SI = 0.19) and loss in transit (SI = 0.01) did not induce significant changes on BHAO hydrological connectivity. Also, the volume stored in the OrÃs reservoir showed no significant changes (SI = 0.21) when the reservoir network topology was modified. For example, when the removal of small and medium network reservoirs (4,664, or 98.9% of the reservoirs) was simulated, the OrÃs reservoir indicated an increase of only 14% in its average volume stored. Based on observations, it was concluded that there was a reduction in the rate of annual BHAO reservoir increment in the past 10 years, marking the beginning of the stabilization phase of the said network. Among the evaluated natural elements, it was the (natural) runoff coefficient which was demonstrated to have the most significance for the hydrological connectivity. Its importance is due to the fact that in the BHAO natural system, underground flow is infrequent. Of the human elements analyzed, the dense reservoir network, obtained the highest importance for hydrological connectivity. The reason for this is that the reservoirs promote the lamination of the flood wave, increasing the number of days with river flow and, consequently, increase the frequency of hydrological connectivity. In addition, new reservoirs decrease the length of the passages to be connected, reducing losses in transit and promoting hydrological connectivity. The variation of the reservoir network demonstrated that decreasing the number of network reservoirs, a decrease in BHAO hydrological connectivity occurs, not changing, however, significantly the inflow to the OrÃs reservoir, the convergence focus of the network. A dense reservoir network showed that, at the beginning of the rainy season, it acts as a barrier to river flow, breaking hydrological connectivity. Over time and with continued rainfall, the thousands of reservoirs promote hydrological connectivity by lamination of the flood wave.

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

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:01:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Thiago Augusto Mendes.pdf: 1579754 bytes, checksum: 97b3cf99f922e3e8f0387617e13d2db4 (MD5) Previous issue date: 2008-08-22 / In spite of Brazil being the country with one of the largest quantities of dams on the planet, there is no study that confront the influence of small dams collapse on major dams. This is very important from a strategic and planning point of view, since much of the energy produced in the country comes from hydroelectric installed in rivers. Althought the hydroelectric sizing is done following strict security techniques, the upstream reservoirs, in most cases are not. This factor leads to great uncertainty about safety of these dams. Thus, this work is important to the development of a methodology able to quantify how small dams affect the safety of large dams. The purpose was set a vulnerability rate to disruption of these small dams, thereby providing data for municipal, state and federal entities about the real situation for granting, construction and operation of dams. The determination of vulnerability rate was made with simulations conducted in the HEC-HMS hydrological model, thereby determining the additional flow from the disruption of dams along the upstream of the dam under study. The study site chosed was the basin of the Meia Ponte river - GO, precisely the Rochedo s hydroelectric, where 30 reservoirs were evaluated for disruption. It was found that the flow that reaches the Rochedo s reservoir, without considering the disruption of reservoirs located upstream (1.222 m³/s) for a return period of 10,000 years is about 31% higher than the flow planned for Rochedo, that is 935 m³/s, as informed by the Energy Company of Goiás (CELG, 2008). The calculated vulnerability rate was 1,31 for a return period of 10,000 years without considering the disruption of the upstream reservoirs and were suitable for a reservoir that was built in the 50's. However the flow that reaches the Rochedo s reservoir, considering the disruption of the upstream reservoirs for a return period of 10,000 years (1.880 m3/s) is much higher than flow considered without disruption of the upstream reservoirs. The calculated vulnerability rate goes to 1,54 for a return period of 10,000 years, wich is considered a high value that deserves care assessment / Apesar do Brasil ser o país com uma das maiores quantidades de barramentos do planeta, não existe um estudo que seja de conhecimento desse autor, que confronte a influência do colapso dos pequenos barramentos sobre grandes represas. Este aspecto é muito importante do ponto de vista estratégico e de planejamento, uma vez que boa parte da energia produzida no país vem das hidroelétricas instaladas em rios. Embora estas hidroelétricas tenham o seu dimensionamento feito seguindo rigorosas técnicas de segurança, os armazenamentos em reservatórios de montante, na maioria dos casos não o são. Este fator leva a uma grande incerteza quanto ao nível de segurança destas barragens. Dessa forma, este trabalho terá importância no desenvolvimento de uma metodologia capaz de quantificar o quanto as pequenas barragens afetam a segurança das grandes barragens. O objetivo foi definir um índice de vulnerabilidade ao rompimento dessas pequenas barragens, ajudando assim os órgãos municipais, estaduais e federais a constatar a real situação para outorga, construção e operação de barragens. A determinação do índice de vulnerabilidade será feita a partir de simulações realizadas com o modelo hidrológico HEC-HMS, determinando assim o acréscimo de vazão proveniente do rompimento das barragens localizadas à montante da barragem em estudo. O local de estudo escolhido foi a bacia hidrográfica do rio Meia Ponte - GO, precisamente a usina hidroelétrica de Rochedo, onde 30 barramentos foram avaliados para o rompimento. Verificou-se que a vazão que chega ao reservatório de Rochedo sem considerar o rompimento dos barramentos localizados à montante (1.222 m³/s) para um período de retorno de 10.000 anos é cerca de 31% maior que a vazão planejada para Rochedo, que no caso é de 935 m³/s, conforme informação fornecida pela Companhia Energética de Goiás (CELG, 2008). O índice de vulnerabilidade calculado foi de 1,31 para um período de retorno de 10.000 anos sem considerar o rompimento dos barramentos à montante, mostrando-se adequado para um reservatório que foi construído na década de 50. Já a vazão que chega ao reservatório de Rochedo, considerando o rompimento dos barramentos à montante para um tempo de retorno de 10.000 anos (1.880 m3/s) é muito superior à vazão considerada sem o rompimento dos barramentos à montante. O índice de vulnerabilidade calculado passa a ser de 1,54, para um período de retorno de 10.000 anos, considerado um valor alto merecendo cuidados de avaliação.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Human actions modify the environment and increase the degradation of water resources, which are limited and fundamental to the maintenance of life. Thus, it is vital that these resources are quantified, so they can be evaluated and protected, in search of self-sustainability. The application of a hydrological model allows the simulation of different scenarios, becoming a tool for planning and management for the respective committee of the basin, where alternative uses can be simulated beforehand and measures for the preservation of the same. Hydrological processes, such as climatic variables, change the water regime and the hydrological response of the basin. This study presents the results of the simulations with the SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model in a small watershed in Southern Brazil (latitude 29°38'37.49" and longitude 53°48'21.99"), representative of the Atlantic Forest biome. This area was monitored by two sequential stations, each one with one rain gauge and one stage gauge, having a contribution area of 4.5 km² and 12 km ² respectively. The altitudes in the basin range from 316 m to 431 m and vegetation is predominantly composed of 55% of native forest and 39% of native pasture. The simulated period was from June 2008 to December 2009, corresponding to the period of monitoring. The temperature ranged from -2.2°C to 39.2°C. The annual rainfall average ranged between 2005 mm and 2250 mm. The quality of the results was characterized by the Nash-Sutcliffe efficiency index (NSE) and by the coefficient of determination (R²). The model was evaluated in a monthly and daily time step. At the monthly time step, the values obtained for NSE, in the calibration phase, were 0.80 and 0.60, respectively for the two sections. The values obtained for the R² were 0.81 and 0.61 in the same sections. In the daily time step, values obtained for NSE, in the calibration phase, was 0.36, for both sections. For R², these values were 0.38 and 0.37 in the respective sections. These results show that the fit was good for monthly values, but not for the daily. Due to the short period of monitoring, the validation of the model results was realized with the observed data from the middle section, with an area of 4.5 km². The values obtained for the NSE in the validation phase were 0.75 and 0.37 for the monthly and daily time step respectively, and for R², 0.75 and 0.37 for the monthly and daily values, which validate the fit. These results are in agreement with the values found by Paiva and Paiva (2006), who evaluated the SWAT in a downstream section, in the same basin, with an area of 18 km². These results show that the SWAT model fits well in this region with monthly time step. Probably, the low values of the adjustment for the daily time step and the main problems of using the model are due to the size of the basin, the short period of observed data and the need for more information on the physical characterization of the soil. Future climatic scenarios A2 (reflects the high emission of greenhouse gases and is considered pessimist) and B2 (reflects the low emission of greenhouse gases and is considered optimist) show that the maximum flows reach more extreme values in the future, the average temperature, maximum and minimum showed a variation of about 1° C. The pessimistic scenario considered A2 showed more extreme values so calculated as to the input data of water flow. / As ações antrópicas modificam o meio ambiente e aumentam o processo de degradação dos recursos hídricos, os quais são limitados e fundamentais à manutenção da vida. Deste modo, é vital que estes recursos sejam quantificados, para que possam ser avaliados e protegidos, em busca da auto-sustentabilidade. A aplicação de um modelo hidrológico possibilita a simulação de diferentes cenários, constituindo-se uma ferramenta de planejamento e gestão para o respectivo comitê da bacia, onde alternativas de uso poderão ser simuladas e medidas previamente para a preservação da mesma. Processos hidrológicos, como as variáveis climáticas, alteram o regime hídrico e a resposta hidrológica da bacia. Este trabalho apresenta os resultados da simulação com o modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool) em uma pequena bacia representativa do Bioma Mata Atlântica, no Sul do Brasil (latitude 29°38'37,49" e longitude 53°48'21,99"), monitorada por duas estações fluviográficas/pluviográficas seqüenciais, com área de contribuição de 4,5 Km² e 12 km² respectivamente. As altitudes na bacia variam de 316,21 m a 431,21 m e a cobertura vegetal predominante é composta por 55% de mata nativa e 39 % de campo nativo. O período simulado foi de junho de 2008 a dezembro de 2009, correspondendo ao período de monitoramento. A temperatura variou entre -2,2 °C a 39,2 °C. A precipitação média anual variou entre 2005 mm e 2250 mm. A qualidade do ajuste dos resultados foi caracterizada pelo índice de eficiência de Nash-Sutcliffe (NSE) e pelo coeficiente de determinação R². O modelo foi avaliado na escala mensal e diária. Na escala mensal os valores obtidos para NSE, na fase de calibração, foram de 0,80 e 0,60, respectivamente para as duas seções. Os valores obtidos para o R² foram 0,81 e 0,61 nas mesmas seções. Na escala diária os valores obtidos para NSE, na fase de calibração, foram de 0,36, para ambas as seções e os valores obtidos para o R² foram 0,38 e 0,37 nas respectivas seções. Estes resultados mostram que o ajuste foi satisfatório para valores mensais, o mesmo não ocorrendo para valores diários. Devido ao pequeno período de monitoramento, para a verificação da qualidade do ajuste dos resultados do modelo utilizou-se os resultados obtidos na seção fluviométrica intermediária, com área de 4,5 Km². Os valores obtidos para o índice de eficiência de Nash-Sutcliffe (NSE) na verificação foram 0,75 para simulação mensal e 0,37 para a simulação diária e os valores obtidos para o coeficiente de determinação (R²) foram 0,75 para valores mensais e 0,37 para valores diários, o que valida o ajuste obtido. Estes resultados estão em concordância com os valores encontrados por Paiva e Paiva (2006), que avaliaram o SWAT em uma seção de jusante, na mesma bacia, com área de 18 km². Os resultados mostram que o modelo SWAT se adapta bem nesta região com discretização mensal. Provavelmente, os baixos valores de ajuste na calibração diária e os principais problemas de utilização do modelo são devidos ao tamanho da bacia, ao pequeno período de dados e a necessidade de maiores informações sobre a caracterização física do solo. Os cenários climáticos futuros A2 (reflete a alta emissão de gases de efeito estufa, sendo considerado pessimista) e B2 (reflete a baixa emissão de gases de efeito estufa, sendo considerado otimista) mostraram que as vazões máximas poderão alcançar valores mais extremos no futuro; as temperaturas médias, máximas e mínimas apresentaram uma variação aproximada de 1ºC. O cenário A2 considerado pessimista apresentou valores mais extremos tanto para vazão calculada como para os dados de entrada.

Floods are caused by extreme meteorological and hydrological changes that are influenced directly or indirectly by human activities within the environment. The flood trends show that floods will reoccur and shall continue to affect the livelihoods, property, agriculture and the surrounding environment. This research has analyzed the riverine flood by integrating remote sensing, Geographical Information Systems (GIS), and hydraulic and/or hydrological modeling, to develop informed flood mapping for flood risk management. The application of Hydrological Engineering Center River Analysis System (HEC RAS) and HEC HMS models, developed by the USA Hydrologic Engineering Center of the Army Corps of Engineers in a data-poor environment of a developing country were successful, as a flood modeling tools in early warning systems and land use planning. The methodology involved data collection, preparation, and model simulation using 30m Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM) Digital Elevation Model (DEM) as a critical data input of HEC RAS model. The findings showed that modeling using HEC-RAS and HEC HMS models in a data-poor environment requires intensive data enhancements and adjustments; multiple utilization of open sources data; carrying out multiple model computation iterations and calibration; multiple field observation, which may be constrained with time and resources to get reasonable output.