Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / A Ãgua na bacia hidrogrÃfica està distribuÃda em diversos compartimentos importantes no que se refere à ecohidrologia. Muitos estudos em regiÃes semiÃridas apontam os reservatÃrios superficiais como principais compartimentos de Ãgua. Entretanto, a bacia hidrogrÃfica tem maior abrangÃncia que as bacias hidrÃulicas nela contida, e os recursos hÃdricos nos compartimentos distribuÃdos na bacia hidrogrÃfica (como no solo) devem ser analisados nÃo somente no que se refere aos usos ecolÃgicos, mas tambÃm como espaÃo de disponibilidade hÃdrica. Portanto, o objetivo do trabalho foi analisar, com base em medidas e modelagem, a dinÃmica da Ãgua nos solos de uma bacia semiÃrida de Caatinga preservada e seu impacto sobre a disponibilidade hÃdrica. Para isso foi medida, entre outros, a umidade do solo a cada hora, de 2003 a 2010 (2923 dias) na Bacia Experimental de Aiuaba (BEA, 12 kmÂ), totalmente preservada e com precipitaÃÃo mÃdia anual de 560 mm. O monitoramento foi realizado atravÃs de trÃs sensores TDR, um instalado em cada uma das trÃs associaÃÃes entre solo e vegetaÃÃo (SVA) identificadas na bacia. O mÃtodo de investigaÃÃo considerou seis etapas principais: i) determinaÃÃo da profundidade efetiva das raÃzes da Caatinga preservada; ii) calibraÃÃo dos sensores de umidade tipo TDR; iii) representaÃÃo espaÃo-temporal da umidade do solo em cada unidade de SVA; iv) anÃlise da disponibilidade hÃdrica do solo na zona das raÃzes; v) parametrizaÃÃo do modelo hidrolÃgico WASA-SED; e vi) parametrizaÃÃo do modelo hidrolÃgico DiCaSM. Os resultados obtidos nesta pesquisa indicam a importÃncia da abordagem da anÃlise temporal da umidade do solo e da disponibilidade hÃdrica do solo na zona das raÃzes para a manutenÃÃo do bioma Caatinga. Mais especificamente, foi observado que a profundidade efetiva do sistema radicular na BEA oscilou entre 70 e 80 cm nas regiÃes com solos profundos, porÃm, em regiÃes com solos rasos, observou-se que a profundidade efetiva das raÃzes adaptou-se Ãs restriÃÃes, ficando reduzida a menos de 40 cm. AlÃm disso, a anÃlise sazonal demonstrou que, na estaÃÃo de estio, as raÃzes tÃm comprimentos atà 11 cm menores, abrindo, portanto, poros secundÃrios que facilitarÃo a penetraÃÃo da Ãgua nas eventuais chuvas dos meses secos (junho a dezembro), assim como nas primeiras chuvas da estaÃÃo Ãmida. Nas duas SVAs cujos solos sÃo profundos e cuja vegetaÃÃo à densa, a Ãgua no solo encontra-se ânÃo-disponÃvelâ (isto Ã, abaixo do ponto de murcha permanente â WP) em quase nove meses ao ano (72% do tempo); e somente durante trÃs meses ao ano (25%) a Ãgua no solo encontra-se disponÃvel. Nos 3% restantes do ano (cerca de 10 dias) hà Ãgua gravitacional nessas SVAs. Na SVA cujo solo à raso e cuja vegetaÃÃo à esparsa, a dinÃmica da Ãgua no solo à diferente: o tempo em que hà Ãgua gravitacional, disponÃvel e nÃo disponÃvel à praticamente o mesmo (quatro meses ao ano). Isso se deve, entre outros, à baixa umidade do solo no ponto de murcha permanente do neossolo litÃlico; e à sua restrita espessura, gerando saturaÃÃo muito mais frequentemente que nos demais solos que â ao contrÃrio deste â dispÃem de drenagem profunda. A depleÃÃo da Ãgua no solo sob condiÃÃes de umidade abaixo do ponto de murcha foi outro resultado importante desta pesquisa. Nas duas associaÃÃes com solos profundos e vegetaÃÃo densa, observou-se â ao longo de todo o perÃodo investigado â decaimento contÃnuo da umidade atà que a mesma se aproximasse assintoticamente da umidade residual. AnÃlise mais detalhada demonstrou que a reduÃÃo da umidade do solo entre o WP e a umidade residual sempre obedecia ao decaimento exponencial. Na associaÃÃo com solo raso e vegetaÃÃo esparsa observou-se que a umidade nÃo caÃa para valores inferiores ao WP, mesmo sujeita ao mesmo rigor climÃtico das demais associaÃÃes. Considerando-se: (i) que em solo tÃo seco, a drenagem à improvÃvel; e (ii) que os processos associados de percolaÃÃo e evaporaÃÃo tampouco devam ser os responsÃveis pela retirada de Ãgua do solo (posto que o fenÃmeno nÃo se observa na SVA cujo solo à raso e, portanto, mais quente); levanta-se a hipÃtese que o secamento do solo nessas condiÃÃes deva ser causado por extraÃÃo de Ãgua pela vegetaÃÃo. Isso reforÃaria a tese de que a Caatinga dispÃe de adaptaÃÃo para sobreviver mesmo em condiÃÃes de estresse hÃdrico. Os modelos hidrolÃgicos WASA-SED e DiCaSM nÃo conseguiram representar adequadamente a dinÃmica temporal da Ãgua nos solos da BEA. No entanto, os modelos reproduziram satisfatoriamente as curvas de permanÃncia da umidade dos solos, permitindo representar a disponibilidade hÃdrica na zona das raÃzes para fins de planejamento. Por fim, logrou-se avaliar â quantitativa, espacial e temporalmente â a disponibilidade hÃdrica do solo. Esta à da mesma ordem de grandeza da disponibilidade de um reservatÃrio superficial Ãtimo. Em termos quantitativos, a disponibilidade no solo chega a ser quase cinco vezes superior à do reservatÃrio superficial, entretanto, a garantia associada da Ãgua superficial (90%) à bem superior à permanÃncia da Ãgua disponÃvel na BEA: apenas 28% nas Ãreas com solos profundos e 65% nas Ãreas com solos rasos. / Regarding ecohydrology, the catchment water is distributed over several important compartments. Many studies in semiarid re gions indicate the surface reservoirs as the main water compartments. However, the watershed has greater scope than the water reservoirs contained therein, and water resources in compartments distributed in the watershed (like in soil) should be analyzed not only with regard to ecological uses, but also as spaces of water availability. Therefore, the object ive of this work was to analyze, based on measurements and modeling, the water dynamics in th e soils of a semi-arid basin in preserved Caatinga, and its impact on water availability. Wit h this in mind, it was measured, among others, the soil moisture, every hour, from 2003 to 2010 (2923 days) in the Aiuaba Experimental Basin (AEB, 12 km Â), fully preserved and with average annual rainfall of 560 mm. Monitoring was carried out through three TDR se nsors, one installed in each of the three soil and vegetation associations (SVA) identified in the basin. The research method considered six main steps: i) assessment of the eff ective root depth of preserved Caatinga ii) calibration of humidity TDR sensors iii) space-time representation of soil moisture in each SVA unit iv) analysis of soil water availability in the root zone, v) parameterization of the WASA-SED hydrological model, and vi) parameterizati on of the DiCaSM hydrological model. The results of this research indicate the importance of addressing the temporal analysis of soil moisture and soil water availability in the root zone to maintain the Caatinga biome. More specifically, it was observed that the effecti ve depth of the root system on AEB ranged between 70 and 80 cm in areas with deep soils, but in areas with shallow soils, it was observed that the effective depth of the roots had adapted to the constraints, having been reduced to less than 40 cm. Furthermore, the season al analysis showed that in the dry season, the roots have lengths up to 11 cm smaller, openin g, therefore, secondary pores that facilitate the penetration of what little rain water falls in the dry months (June-December), as well as in the first rains of the wet season. In the two SVAs whose soils are deep and the vegetation is dense, the soil water is 'not available' (ie below the permanent wilting point - WP) during nearly nine months a year (72% of the time), and on ly during three months of the year (25% of the time) the soil water is available. In the re maining 3% of the year (about 10 days) there is gravitational water in these SVAs. In the SVAs whose soil is shallow and whose vegetation is sparse, the dynamics of soil water are different : the time when there is gravitational water, available and unavailable, is practically the same (four months a year). This is due to, among other things, the low soil moisture at the permanen t wilting point of the Udorthent, and to its limited thickness, generating saturation much more frequently than in others that - unlike this one - have deep drainage. The depletion of soil wat er under conditions of moisture below the wilting point was another important result of this research. In the two associations with deep soils and thick vegetation, it was observed â throu ghout the observation period â continuous fall of moisture level until it approached asymptot ically the residual moisture. More detailed analysis showed that the reduction of soil moisture between the WP and the residual moisture level always followed the exponential decay. It was observed, in the association of shallow soil and sparse vegetation, that the moisture did not fall to below the WP, even subjected to the same rigorous climate of the other associations . Considering: (i) that in such a dry soil, the drainage is unlikely, and (ii) that the associated processes of percolation and evaporation should not be responsible for the removal of soil w ater either (since the phenomenon is not observed in SVAs whose soil is shallow and therefor e warmer) , it is raised the hypothesis that the soil drying under these conditions must be caused by water extraction by vegetation. This would strengthen the argument that the Caating a has adapted to survive under water stress. The hydrological models WASA-SED and DiCaSM failed to adequately represent the temporal dynamics of soil water in the AEB. However , the models did satisfactorily reproduce the retention curves of soil moisture, al lowing the representation of the water availability in the root zone for planning purposes . Finally, we managed to evaluate - quantitatively, spatially and temporally â the soil water availability. This availability is of the same order of magnitude of the availability of an o ptimal surface reservoir. The availability in the soil, in quantitative terms, can be almost five times higher than that of the surface reservoir. However, the security associated with su rface water (90%) is much higher than the water permanence available in the AEB: just 28% in areas with deep soils and 65% in areas with shallow soils.

Os atuais e persistentes cenários de enchentes da Região Metropolitana de São Paulo, e suas consequências em seu espaço e cotidiano, evidenciam a complexidade dessa problemática. A recorrência das enchentes sugere que, mesmo diante da adoção de medidas de controle, combate e mitigação, tais ações demonstraram-se insuficientes, estando associadas a limitações das metodologias e dos modelos a serem abordados. Este estudo relaciona-se a esta última proposição, testando e aplicando formas de integração das abordagens geomorfológicas, às abordagens oriundas da hidrologia e da hidráulica. O objetivo foi analisar as variabilidades temporal e espacial dos resultados de simulações hidrológicas e hidráulicas e compará-los aos mapeamentos obtidos pela Geomorfologia Antropogênica a partir da cartografia geomorfológica evolutiva na bacia hidrográfica do córrego Três Pontes (SP), de modo a identificar potenciais de complementariedade e integração dessas metodologias. Primeiramente, realizou-se a fotointerpretação e reconstituição das morfologias originais (1962) e das formas antropogênicas (2011), gerando cartografias de perturbação que assumiram diferentes graus de susceptibilidades às inundações e ao escoamento superficial concentrado. Em seguida, modelos hidrológicos (Ven Te Chow SCS e Hidrograma Unitário SCS, pelo ABC6) e hidráulico (pelo HECRAS) foram aplicados nos cenários reconstituídos anteriormente, determinando o aumento da vazão de pico e das áreas inundadas entre os anos estudados para tormentas de diferentes tempos de retornos. Os resultados das modelagens hidrológicas e hidráulicas demonstraram aumento significativo da vazão de pico e uma ampliação expressiva da área inundada na BHTP entre 1962 e 2011. Comparados os limites de áreas inundadas obtidos pela modelagem hidráulica à cartografia de vulnerabilidade à inundação, constatou-se uma compatibilidade de resultados. Por um lado, foram identificadas e discutidas limitações relacionadas aos pressupostos, parâmetros e coeficientes de ambas as metodologias; por outro lado, foram assinalados potenciais de integração entre elas. De modo geral, pode-se afirmar que os resultados obtidos contribuem ao conhecimento hidrológico e geomorfológico urbanos, em especial à área de estudo, e constitui um esforço interdisciplinar de aproximar duas especialidades fundamentais ao planejamento territorial urbano. / The current and persistent flooding scenarios in the Metropolitan Region of São Paulo, and their consequences on its space and life, point out to the complexity of this issue. The recurrence of flooding suggests that, even though policies of control, ordering and mitigation were adopted, its measures demonstrated not to be enough, associated with limitations of the methodologies and hydrological and hydraulic forecast models. This research is related to this last proposition, testing and applying ways in which the approaches of geomorphology, hydrology and hydraulics, can be integrated. Therefore, the study aims to analyze the temporal and spatial variability of hydrologic and hydraulic simulations results and to compare them with the mappings obtained by Anthropogenic Geomorphology from evolutionary geomorphological mapping at the stream Três Pontes basin, in order to identify the dialogues and potentials of integration between these methodologies. Firstly, airphotos and satellite images were interpreted and the original morphologies (1962) and anthropogenic forms (2011) reconstructed and mapped, from which disturbance maps were produced considering different susceptibilities to flooding and concentration of discharges. Afterwards, hydrological models (Ven Te Chow-SCS and Unit Hydrograph-SCS using ABC6 ) and hydraulic models (using HEC-RAS ) were applied considering the same scenarios previously reconstituted and, as a result, the increase on peak discharge and of flooding areas, between 1962 e 2011, were determined for different recurrence intervals. When compared, the boundaries of flooded areas obtained through the hydraulic modeling and the flood susceptibility cartography, demonstrated the compatibilities between the results. Limitations of some parameters, coefficients and assumptions related to both methodologies were identified and discussed, as well as, the potential of integration between the two. As a whole, the obtained results contribute to the urban hydrological and geomorphological knowledge, especially in the studied area, and constitute an interdisciplinary effort to approximate two fundamental territorial planning fields.

Vários trabalhos relacionados ao tema produção de água estão sendo realizados, tendo em comum a associação da cobertura florestal com o escoamento em bacias hidrográficas. Entretanto, não existem estudos onde foram verificados os locais onde esta cobertura tem efeito ótimo, pois, este é dependente das condições edafoclimáticas de cada bacia. O objetivo deste trabalho é avaliar as alterações na produção de água ocasionadas pela posição das áreas com cobertura florestal em relação às de solos rasos em uma bacia hidrográfica. Os estudos foram realizados na Bacia Hidrográfica do Ribeirão dos Marins em Piracicaba, SP, Brasil, por meio da modelagem hidrológica utilizando o modelo distribuído GSSHA. Para a calibração foram utilizados dados meteorológicos, fluviométricos e pluviométricos dos anos de 1999 e 2000, além da obtenção, em laboratório, da condutividade hidráulica e da curva de retenção dos solos da bacia. Foram realizadas sondagens SPT e testes de infiltração de água no solo para determinar a espessura dos solos na bacia e a condutividade hidráulica da zona saturada (lençol freático) desta. A espessura dos solos foi representada por um modelo numérico, elaborado a partir das espessuras medidas e da utilização do modelo HAND. A profundidade do lençol freático foi representada por outro modelo numérico, elaborado a partir da espessura do solo e da profundidade deste lençol medida em campo. Uma nova metodologia que, a partir do coeficiente CN, estima o coeficiente de rugosidade de Manning foi utilizada, apresentando resultados satisfatórios. Nos processos de calibração e validação o modelo apresentou coeficientes de índices de correlação adequados. Foram feitas simulações hidrológicas para 15 anos em três cenários de uso e ocupação do solo, que foram elaborados de modo a comparar uma mesma área de cobertura florestal em diferentes posições da bacia, em função da presença de solos rasos nas proximidades dos cursos d\'água. Foram analisados, entre os cenários para todo o período simulado: o escoamento total e o de base; parâmetros dos hidrogramas (em eventos selecionados da série histórica); posição do lençol freático; umidade do solo; e, curva de permanência. Os resultados permitiram concluir que na área de estudo não há influência da posição da cobertura florestal em relação aos solos rasos para a produção de água. Devido à existência de poucos trabalhos a campo e, também, de modelagem que abordem o efeito da localização da cobertura florestal na produção de água, incentiva-se a realização de novas pesquisas, necessárias, entre outras razões, para a determinação dos locais prioritários a reflorestar ou manter florestado em programas de conservação ambiental. / Several works related to the theme of water production are being made, having in common the association of forest cover with runoff in watersheds. However, no studies were found where the places where this land cover has optimum effect, because it is dependent on climatic and physiographic conditions of each watershed. The objective of this study is to evaluate changes in water yield caused by the spatial distribution of forest cover in relation to the shallow soils in a watershed. The studies were conducted in the watershed \"Ribeirão dos Marins\" in Piracicaba, SP, Brazil, through the hydrologic modeling using the distributed model GSSHA. For calibration were used data of meteorological, rainfall and stream flow to the years 1999 and 2000, in addition of the hydraulic conductivity and soil water retention curve obtained in laboratory. SPT tests and water infiltration tests were conducted to determine the thickness of the soils and hydraulic conductivity of the saturated zone (water table) in the watershed. The thickness of the soil was represented by a numerical model, based on those thicknesses measures and the model HAND. The depth of the water table was represented by another numerical model, drawn from the soil thickness and depth of field measured. A new methodology that estimates the Manning coefficient from the CN coefficient was used with satisfactory results. In the processes of calibration and validation of the model, the coefficients showed adequate correlation indexes. Hydrological simulations were made for 15 years in three land cover and land use scenarios, which have been prepared in order to compare the same area of forest cover in different positions of the basin, due to the presence of shallow soils near watercourses. Were analyzed, among the scenarios simulated for the entire period: total flow and baseflow; parameters of hydrographs (in selected events of the series); position of the water table, available water content; and flow duration curves. The results showed that in the study area there is no influence of the position of forest cover in relation to shallow soils to the water yield. Because there are few studies that address the effect of the location of forest cover in water yield is encouraged to conduct further research, among other reasons, for the determination of the priority sites to the reforestation in environmental conservation programs.

Neste trabalho foi proposta uma estratégia de modelagem hidrológica para a transformação chuva vazão da Bacia do Ribeirão da Onça (B.R.O) utilizando-se técnicas de auto calibração com análise de incertezas e de ponderação de modelos. Foi utilizado o modelo hidrológico Soil and Water Assessment Tool (SWAT), por ser um modelo que possui uma descrição física e de maneira distribuída dos processos hidrológicos da bacia. Foram propostas cinco diferentes séries de precipitação e esquemas de interpolação espacial a serem utilizados como dados de entrada para o modelo SWAT. Em seguida, utilizou-se o método semiautomático Sequential Uncertainty Fitting ver.-2 (SUFI-2) para a auto calibração e análise de incertezas dos parâmetros do modelo e produção de respostas com intervalos de incerteza para cada uma das séries de precipitação utilizadas. Por fim, foi utilizado o método de ponderação bayesiana de modelos (BMA) para o pós-processamento estocástico das respostas. Os resultados da análise de incerteza dos parâmetros do modelo SWAT indicam uma não adequação do método Soil Conservation Service (SCS) para simulação da geração do escoamento superficial, juntamente com uma necessidade de maior investigação das propriedades físicas do solo da bacia. A análise da precisão e acurácia dos resultados das séries de precipitação em comparação com a resposta combinada pelo método BMA sugerem a última como a mais adequada para a simulação chuva-vazão na B.R.O. / This study proposed an approach to the hydrological modeling of the Ribeirão da Onças Basin (B.R.O) based on automatic calibration and uncertainty analysis methods, together with model averaging. The Soil and Water Assessment Tool (SWAT) was used due to its distributed nature and physical description of hydrologic processes. An ensemble, composed by five different precipitation schemes, based on different sources and spatial interpolation methods was used. The Sequential Uncertainty Fitting ver-2 (SUFI-2) procedure was used for automatic calibration and uncertainty analysis of the SWAT model parameters, together with generation of streamflow simulations with uncertainty intervals. Following, the Bayesian Model Averaging (BMA) was used to merge the different responses into a single probabilistic forecast. The results of the uncertainty analysis for the SWAT parameters show that the Soil Conservation Service (SCS) model for surface runoff prediction may not be suitable for the B.R.O, and that more investigations about the soil physical properties at the Basin are recommended. An analysis of the accuracy and precision of the simulations produced by the precipitation ensemble members against the BMA simulation supports the use of the latter as a suitable framework for streamflow simulations at the B.R.O.

Submitted by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2016-05-09T17:30:55Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Aplicabilidade de modelos de hidrograma unitário em bacias hidrográficas hidrologicamente distintas.pdf: 14911634 bytes, checksum: 81a2209820b64f7bee6b4bd3366bfaac (MD5) / Approved for entry into archive by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2016-05-09T17:31:29Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Aplicabilidade de modelos de hidrograma unitário em bacias hidrográficas hidrologicamente distintas.pdf: 14911634 bytes, checksum: 81a2209820b64f7bee6b4bd3366bfaac (MD5) / Approved for entry into archive by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2016-05-09T17:31:48Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Aplicabilidade de modelos de hidrograma unitário em bacias hidrográficas hidrologicamente distintas.pdf: 14911634 bytes, checksum: 81a2209820b64f7bee6b4bd3366bfaac (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-09T17:32:41Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Aplicabilidade de modelos de hidrograma unitário em bacias hidrográficas hidrologicamente distintas.pdf: 14911634 bytes, checksum: 81a2209820b64f7bee6b4bd3366bfaac (MD5) Previous issue date: 2015-08-26 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul - FAPERGS / Eventos extremos de precipitação, combinados com aumento da população, intensificação de atividades agrícolas e uso inadequado do solo, têm culminado em inúmeros problemas relacionados a cheias em bacias hidrográficas. A gestão dos recursos hídricos é considerada bastante desafiadora e o monitoramento hidrológico tem sido uma importante ferramenta. No entanto, o monitoramento hidrológico ainda é um fator limitante de modo que comumente técnicos da área de recursos hídricos se deparam com a ausência de dados no local de interesse. No caso da gestão de cheias em bacias hidrográficas, os dados de vazão são substanciais na compreensão do comportamento hidrológico quando da ocorrência de um evento de chuva intensa. Esta carência de dados hidrológicos tem resultado no desenvolvimento de modelos para estimativa de hidrogramas de escoamento superficial direto (ESD) resultantes de eventos de precipitação. O ESD é o componente mais importante para análise de vazões decorrentes de eventos extremos de chuva. Dentre as técnicas de modelagem de ESD, deve ser destacada a teoria do Hidrograma Unitário (HU) e do Hidrograma Unitário Instantâneo (HUI). O objetivo deste trabalho foi avaliar os modelos de HU Triangular (HUT), HU Adimensional (HUA), HUI de Nash (HUIN), HUI de Clark (HUIC), HUI de Nash Geomorfológico (HUING) e HUI de Clark Geomorfológico (HUICG) para determinação do hidrograma de ESD decorrentes de eventos de precipitação em uma bacia hidrográfica localizada no Rio Grande do Sul e outra em Minas Gerais. As informações básicas para utilização de tais modelos de HU e HUI foram as variáveis topográficas extraídas dos modelos digitais de elevação e dados hidrológicos de cada bacia. Foi estabelecida a curva-chave de cada seção de controle no intuito de converter dados linimétricos em dados de vazões. Com base nos eventos chuva-vazão escolhidos para cada bacia, pôde-se constituir o hietograma de cada evento e o hidrograma correspondente. A separação de escoamento foi realizada usando o método das inflexões, enquanto a determinação das precipitações efetivas (Pe’s) foi realizada pelos métodos do Índice , CN e CN modificado. Foi possível constatar que: i) as suposições da técnica de HU e de HUI foram válidos para a modelagem do hidrograma de ESD para as duas bacias hidrográficas analisadas; ii) houveram diferenças nos hidrogramas de ESD estimados nas duas bacias pelos modelos de HU e HUI empregados; iii) além de ter sido verificado o impacto das diferenças de características fisiográficas entre as bacias, especialmente aquelas vinculadas ao solo, na modelagem de cheias, também foi constatado que a diferença do padrão de chuvas entre as duas regiões exerceu influência na referida modelagem; iv) o método de determinação de Pe exerceu influência significativa sobre os resultados dos diferentes modelos de HU e HUI, especialmente quando da estimativa de vazões de pico; e v) o modelo HUIC foi o que estimou os hidrogramas de ESD para as duas bacias hidrográficas de forma mais satisfatória, seguido do HUIN, sendo que ambos apresentaram substancial superioridade em relação aos modelos de HU tradicionalmente empregados (HUT e HUA) e também aos modelos de HUING e HUICG. / Heavy rainfall events in conjunction with increase in population, intensification of agricultural activities and inappropriate land use, have resulted in countless problems related to floods in watersheds. Water resources management is considered challenging and hydrological monitoring has been a fundamental tool. However, this type of monitoring is a limiting factor such that practitioners and engineers have to commonly deal with the inexistence or lack of information in the site of interest. Streamflow data sets are essential for flood management in watersheds in order to allow the understanding of hydrological behavior due to the occurrence of a heavy rainfall event. Such lack of hydrological data has culminated in the development of models for estimation of direct surface runoff (DSR) hydrographs resulting of rainfall events. DSR is the main component when analyzing stream flows originated from extreme rainfall events. Among the existing techniques available for DSR modeling, it should be highlighted the theory of Unit Hydrograph (UH) and of Instantaneous Unit Hydrograph (IUH). The objective of this study was to evaluate the Triangular UH (TUH), Dimensionless UH (DUH), Nash IUH (NIUH), Clark IUH(CIUH), Geomorphological Nash IUH (GNIUH) and Geomorphological Clark IUH (GCIUH) for estimation of DSR hydrographs resulting of extreme rainfall events in a watershed situated in Rio Grande do Sul State and another located in Minas Gerais State. The basic information for use of the aforementioned UH and IUH models were topographical variables extracted from digital elevation models and hydrological data (rainfall and water level). The stage-discharge rating curve of each outlet was obtained in order to convert water levels into streamflow records. Based on the rainfall-streamflow events, which were chosen for each watershed, it was possible to develop the hyetograph of each event and the corresponding hydrograph. DSR separation was performed through the inflexion method, while the determination of effective rainfalls (Pe’s) was done by means of the methods known as  index, CN and Modified CN. The main results and conclusions were: i) the suppositions of UH and IUH were valid for DSR modeling in the studied watersheds; ii) differences among DSR hydrographs estimated by the different models of UH and IUH were found; iii) there was impact of the differences in physiographical characteristics between watersheds, especially those parameters associated with soil, on flood modeling, and it was also observed that the difference in the rainfall patters between watersheds exerted influence on flood modeling; iv) the method for determination of Pe had substantial influence on the results obtained through the different UH and IUH models, especially when analyzing the estimation of peak stream flows; and v) CIUH was the most satisfactory model to estimate DSR hydrographs for the watersheds, followed by NIUH, and both presented substantial superiority in relation to the UH models, which are traditionally employed (TUH and DUH), and to the GNIUH and GCIUH.

Submitted by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2016-06-03T21:37:39Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Aprimoramento computacional do modelo Lavras Simulation of Hydrology.pdf: 18241232 bytes, checksum: 8066a641ca6665c34c70a177efe853e9 (MD5) / Approved for entry into archive by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2016-06-03T22:26:35Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Aprimoramento computacional do modelo Lavras Simulation of Hydrology.pdf: 18241232 bytes, checksum: 8066a641ca6665c34c70a177efe853e9 (MD5) / Approved for entry into archive by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2016-06-03T22:26:57Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Aprimoramento computacional do modelo Lavras Simulation of Hydrology.pdf: 18241232 bytes, checksum: 8066a641ca6665c34c70a177efe853e9 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-03T22:27:19Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Aprimoramento computacional do modelo Lavras Simulation of Hydrology.pdf: 18241232 bytes, checksum: 8066a641ca6665c34c70a177efe853e9 (MD5) Previous issue date: 2016-02-26 / Sem bolsa / A modelagem hidrológica em bacias hidrográficas consiste numa das principais e mais modernas ferramentas para gestão de recursos hídricos e dimensionamentos hidrológicos, no entanto, muitos modelos demandam um grande número de informações temporais e espaciais, o que muitas vezes impede que sejam aplicados, principalmente em países em desenvolvimento, como é o caso do Brasil, onde é mais observado o monitoramento de bacias de grande porte. Frente a este fato, em 2008 uma equipe de pesquisadores da Universidade Federal de Lavras, em parceria com a Universidade de Purdue (EUA), deram início ao desenvolvimento de um modelo hidrológico conceitual voltado à bacias com limitações na base de dados; em 2008 surgia a primeira versão deste modelo e, em 2009, a segunda, quando passaria a ser chamado de Lavras Simulation of Hydrology (LASH). O modelo LASH passou por aprimoramentos computacionais entre o desenvolvimento da primeira e da segunda versão, contudo, não apresentava-se “amigável” para suprir a demanda por parte de profissionais fora do ambiente acadêmico. Foi então que surgiu a ideia de desenvolver sua terceira versão, contando agora também com a parceria da Universidade Federal de Pelotas. O objetivo deste trabalho foi desenvolver e apresentar a terceira versão do modelo LASH, contemplando módulos auxiliares, inúmeros aprimoramentos computacionais e a adaptação da rotina hidrológica e de calibração automática para modelagem com discretização espacial por sub-bacias hidrográficas, bem como avaliar a aplicabilidade desta versão à duas bacias hidrográficas localizadas no sul do Rio Grande do Sul, sob duas estratégias distintas de calibração. Os resultados obtidos apontam para um enorme avanço computacional: i) o módulo para processamento da base de dados temporal (SYHDA) tomou grandes proporções durante seu desenvolvimento, ao ponto de ter sido registrado junto ao Instituto Nacional de Propriedade Industrial (INPI) e vir sendo empregado de forma isolada ao modelo, como uma importante ferramenta de análises hidrológicas; ii) o módulo de processamento da base dados espaciais se mostrou bastante eficiente e, neste momento, encontra-se sob aguardo de deferimento de registro junto ao INPI iii) os módulos de banco de dados, integração e calibração automática se mostraram indispensáveis frente às funcionalidades que lhes foram atribuídas; e iv) o tempo de processamento foi bastante inferior quando comparado à segunda versão. Do ponto de vista hidrológico, a análise do desempenho da terceira versão do LASH frente à calibração e validação para as bacias analisadas indica que o modelo foi capaz de capturar o comportamento geral das vazões observadas, no entanto, a representatividade espacial dos processos hidrológicos é menor quando comparada à segunda versão. No que tange à calibração, as estratégias empregadas apresentaram resultados distintos, assim como as funções objetivo, tendo sido o modelo mais eficiente quando todos parâmetros foram calibrados de forma concentrada. Esta constatação dá indícios de que a estrutura do módulo de calibração automático precisa ser melhor avaliada e de que deve-se analisar a possibilidade de empregar métodos de calibração multiobjetivo, os quais são mais aconselháveis, segundo a literatura, quando objetiva-se a utilização do modelo em ambientes não acadêmicos. / Hydrological watershed modeling is considered one of the main and most modern tools for water resources management and hydrological designs; however, many models require a large amount of temporal and spatial information. This commonly makes it difficult their application, especially in Brazil and in other developing countries, where hydrological monitoring has been predominantly observed for large watersheds. In 2008, a research team from Federal University of Lavras in collaboration with Purdue University (USA) began the development of a conceptual hydrological model intended for data-scarce watersheds. The researchers finished the first version of such model in 2008 and, its second version in 2009, which was known as Lavras Simulation of Hydrology (LASH). The second version of LASH model had many computational refinements in relation to its first version; nevertheless, it does not have a friendly integrated development environment (IDE) to fulfil the needs of non-academic professionals. Then, the research team decided to develop its third version, having collaboration with Federal University of Pelotas. The objectives of this study were to: i) develop and present the third version of the LASH model, addressing auxiliary modules, countless computational enhancements and adaptation of hydrological and automatic calibration routines for modeling with spatial discretization of subwatersheds; and ii) evaluate the applicability of this version to two watersheds situated in the southern Rio Grande do Sul State, considering two calibration schemes. The results found in this study indicated a considerable computational upgrade: i) the module designed for processing of temporal data bases (SYHDA) has been frequently used in many applications as an independent software since its development, such that it was protected by copyright (Instituto de Propriedade Industrial – INPI); ii) the module for processing of spatial data bases was considered efficient and also protected by copyright (INPI); iii) the modules of database, integration and automatic calibration were indispensable considering their designed functionalities; and iv) the time of processing was undoubtedly less than that spent by the second version. Under the hydrological point of view, the performance analysis of the third version of LASH, with respect to calibration and validation of the studied watersheds, indicated that the model was able to capture the overall behavior of the observed hydrograph; however, it should be mentioned that the spatial representativeness of the hydrological processes is inferior when compared to that existing in the second version. Relative to calibration, the used schemes and objective functions presented somewhat contrasting results; the most efficient scheme was that in which all the calibration parameters were lumped. This finding suggests that the framework of the automatic calibration module needs to be better evaluated and that there might be the necessity to implement multi-objective calibration algorithms, which have drawn attention in scientific community, when the goal is the model application for non-academic purposes.

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The fresh water resources of the world are stressed due to the increasing population. Theclimate change has also affected the water resource availability due to the occurrence offrequent and uneven extreme events such as drought and flash floods. In the context ofPeloponnese, Greece water resource management is an important issue for tourism developmentas well as the water supply for the people in the peninsula. To assess the potential climatechange and to quantify the water resource availability linear regression trend analysis andhydrological modeling has been done in this study. The hydro-climatic data (Temperature,precipitation, evapotranspiration and precipitation surplus) show a decreasing trend when a longstudy period (1951-2008) is considered; however, all the trends are not statistically significantexcept precipitation, actual evapotranspiration and precipitation surplus. Similarly, the case isquite opposite when IPCC standard period (1961-1990) is considered. In this period,precipitation and precipitation surplus is increasing but not statistically significant, whereastemperature and potential evapotranspiration has decreasing and statistically significant trendand actual evapotranspiration is decreasing but not statistically significant. Hence, it cannot beconcluded that the climate has changed in the peninsula with reference to linear regressionanalysis. On the other hand, it should be noted that the water resource availability will decreasein the peninsula if the current trend in the hydro-climatic data continues. Furthermore, a spatialanalysis shows that water availability is less in the eastern part and the coastal area of thepeninsula due to low precipitation and high evapotranspiration. Hence, these areas need to befocused on for the better water resource management and planning. However, the uncertaintiesrelated to data and model should be accounted for in the water resource management andplanning.

La partie centrale de la chaîne himalayenne présente d’importantes hétérogénéités, en particulier en termes de topographie et de climatologie. La caractérisation des processus hydro-climatiques dans cette région est limitée par le manque de descriptif des milieux. La variabilité locale est alors difficilement représentée par les modélisations mises en œuvre à une échelle régionale.L’approche proposée dans ce travail est de caractériser les systèmes hydro-climatiques à l’échelle locale pour réduire les incertitudes liées à l’hétérogénéité du milieu. L’intégration de données localement précises est testée pour la modélisation de bassins versants peu instrumentés et fortement hétérogènes.Deux sous-bassins du bassin de la Dudh Koshi (Népal) sont utilisés comme échantillons représentatifs des milieux de haute et moyenne montagne, hors contribution glaciaire. Le schéma de surface ISBA est appliqué à la simulation des réponses hydrologiques des types de surface décrits à partir d’observations de terrain. Des mesures de propriétés physiques des sols sont intégrées pour préciser la paramétrisation des surfaces dans le modèle. Les données climatiques nécessaires sont interpolées à partir des observations in situ disponibles. Une approche non déterministe est appliquée pour quantifier les incertitudes liées à l’influence de la topographie sur les précipitations, ainsi que leur propagation aux variables simulées. Enfin, les incertitudes liées à la structure des modèles sont évaluées à l’échelle locale à travers la comparaison des paramétrisations et des résultats de simulation obtenus d'une part avec le schéma de surface ISBA, couplé à un module de routage à réservoir et d'autre part avec le modèle hydrologique J2000. / The central part of the Hindukush-Himalaya region presents tremendous heterogeneity, in particular in terms of topography and climatology. The representation of hydro-climatic processes for Himalayan catchments is limited due to a lack of knowledge regarding their hydrological behavior. Local variability is thus difficult to characterize based on modeling studies done at a regional scale. The proposed approach is to characterize hydro-climatic systems at the local scale to reduce uncertainties associated with environmental heterogeneity.The integration of locally reliable data is tested to model sparsely instrumented, highly heterogeneous catchments. Two sub-catchments of the Dudh Koshi River basin (Nepal) are used as representative samples of high and mid-mountain environments, with no glacier contribution. The ISBA surface scheme is applied to simulate hydrological responses of the surfaces that are described based on in-situ observations. Measurements of physical properties of soils are integrated to precise surface parametrization in the model. Necessary climatic data is interpolated based on available in-situ measurements. A non deterministic approach is applied to quantify uncertainties associated with the effect of topography on precipitation and their propagation through the modeling chain. Finally, uncertainties associated with model structure are estimated at the local scale by comparing simulation methods and results obtained on the one hand with the ISBA model, coupled with a reservoir routing module, and on the other hand, with the J2000 hydrological model.

L'objectif principal de cette thèse était de parvenir à un outil de gestion fiable des bassins de rétention d'eaux pluviales en utilisant les données radar en bande X. Il s’est avéré que cela nécessite plusieurs développements de recherche. Le cas d’étude considéré comprend un bassin de 10000 m3 situé en Val-de-Marne et construit en aval d'un bassin versant urbain de 2.15 km2. Il assure un double rôle de traitement des eaux pluviales et de prévention des inondations par stockage du volume. Opérationnellement les modes de gestion associés à chacun de ces objectifs sont antagonistes si bien qu’une gestion prédictive a été mise en place ; exploitation routinière en mode anti-pollution et basculement vers le mode anti-inondation en cas de besoin. Il doit se faire sur la base d’une connaissance sûre de la situation pluvieuse prévue à court terme. Une façon courante de répondre aux besoins opérationnels de la gestion prédictive est de mettre en place un système d’alerte basé sur l’utilisation des données radar. Le système CALAMAR par exemple, repose sur l’utilisation des données radar brutes à mono polarisation du réseau radar de Météo-France; traitées avec des méthodes de conversion classiques Z-R et une calibration avec des pluviomètres. Cependant, la fiabilité de ce système fait débat, notamment vis-à-vis de la qualité de la mesure radar obtenue. Une nouvelle méthodologie de comparaison de produits radar a été développée au cours de cette thèse. Elle repose sur le cadre théorique des multifractals et permet une comparaison de la structure et de la morphologie des champs de précipitations dans l'espace et le temps à travers les échelles. Cette méthode a d'abord été appliquée sur les produits CALAMR et Météo-France, puis, pour confirmer certains des résultats, sur les premières données d’un radar bande X, acquis par l’Ecole des Ponts ParisTech dans le cadre du projet Européen RainGain et fournissant des mesures de précipitations à des échelles plus fines (jusqu’à 100m en espace et 1 min en temps). Les résultats obtenus mettent en évidence non seulement l'influence cruciale des méthodes de traitement des données brutes sur la variabilité spatio-temporelle à travers les échelles, mais permettent également de prédéfinir les conditions dans lesquelles la calibration CALAMAR peut aggraver la qualité des mesures. Elles seraient très difficiles à détecter par les méthodes classiques largement répandues, n’impliquant qu’un nombre très limité de pixels radar (seulement ceux correspondants aux pluviomètres au sol). Des extensions de la méthodologie proposée ouvriront de nouveaux horizons pour la calibration des données de pluie. Alors que la littérature scientifique, notamment autour expériences TOMACS au Japon et CASA aux Etats-Unis, souligne l’importance opérationnelle d’une mesure de pluie plus détaillée grâce au radar en bande X, son impact sur les performances des modèles hydrologiques fait encore débat. Les recherches antérieures, basée pour la plupart sur des modèles conceptuels, ne sont pas concluantes. Ainsi pour dépasser ces limites, nous avons utilisé deux modèles impliquant des approches de modélisation différentes : CANOE (semi-distribué et conceptuel) et Multi-Hydro (distribué et à base physique ; développé à l’ENPC). Une version opérationnelle de CANOE et une nouvelle configuration plus fine améliorant considérablement la sensibilité du modèle à la variabilité de la pluie ont été utilisées. Plusieurs développements ont été apportés à Multi-Hydro, y compris une optimisation de sa résolution, ce qui améliore grandement l'ensemble de ses fonctionnalités. Il ressort de ce travail qu’en prenant en compte la variabilité spatio-temporelle des précipitations à petite échelle, la performance des modèles hydrologiques peut être augmentée jusqu'à 20%.Nous pensons que cette thèse a contribué à la mise au point de nouveaux outils opérationnels, fiables ayant la capacité de prendre en compte les données en bande X haute résolution / The main goal of this thesis was to achieve a reliable management tool of storm water storage basins using high resolution X-band radar. It turned out that it required several research developments. The analysed case study includes a retention basin of 10000 m3 located in Val de Marne county downstream of a 2.15 km2 urban catchment. It has a twofold goal: storm water decontamination and flood protection by volume storage. Operationally the management strategies associated with these two aims are conflicting; hence, a predictive management has been set up: a routine exploitation of the basin in the anti-pollution mode, and a switch to the flood protection mode when needed. It should be based a reliable knowledge of short-term rainfall forecasts. A common way to respond to operational needs of the predictive management is to set up a warning system based on the use of radar data. For example, the CALAMAR system relies on the use of single-polarization raw radar data, coming from Meteo-France radar network, being processed with the conventional Z-R conversion methods followed by a calibration with rain gauge. However, the reliability of such warning systems has been subject to debate, often due to a questionable quality of the resulting radar rainfall estimates, compared to local rain gauges. Therefore a new methodology for more meaningful comparison of radar rainfall field products was developed during this PhD project. Being rooted to the multifractal theory, it allows a comparison of the structure and the morphology of rainfall fields in both space and time through scales. It was initially tested on CALAMAR and Meteo-France rainfall products before being applied for results confirmation on initial data from a X band radar, acquired by Ecole des Ponts ParisTech in the framework of the European project RainGain and providing data at higher resolution (up to 100 m in space and 1 min in time). The obtained results not only highlight the crucial influence of raw data processing on the scaling behaviour, but also permit to pre-define the conditions when the CALAMAR optimization may worsen the quality of rainfall estimates. Such conditions would be very difficult to detect with widely used conventional methods, which rely on a very limited number of radar pixels (only those containing rain gauges). Further extensions of the proposed methodology open new horizons for the rainfall data merging. While the scientific literature, notably around the TOMACS experiment in Japan and CASA one in the United States, highlights the operational benefits of higher resolution rainfall measurements thanks to X-band radars, its impact on the performance of hydrological models still remains a subject of debate. Indeed previous research, mainly based on conceptual models remains inconclusive. To overcome these limitations, we used two models relying on two very distinct modelling approaches: CANOE (semi-distributed and conceptual) and Multi-Hydro (fully distributed and physically based research model developed at ENPC). An operational version of CANOE and a new much finer configuration, which increases the sensitivity of the model to spatio-temporal variability of small-scale rainfall, were used. Several extensions of the Multi-Hydro were developed, including an optimization of its resolution, which greatly improves its whole functionality. It appears from this work that by taking into account the spatial and temporal variability of small-scale rainfall, the performance of hydrologic models can be increased up to 20%.Overall, we believe that this dissertation contributes to the development of new, reliable, operational tools to use in their full extent the high-resolution X-band data