nÃo hà / A modelagem do comportamento de fenÃmenos complexos, como a transformaÃÃo de chuva em vazÃo, envolve o ajuste de uma sÃrie de parÃmetros, conferindo relativa dificuldade para sua prediÃÃo. No Estado do CearÃ, esta tarefa se torna ainda mais complicada, devido à carÃncia de dados fluviomÃtricos, e, sobretudo por se tratar de uma regiÃo caracterizada pelos baixos Ãndices pluviomÃtricos e pelo regime fluviomÃtrico intermitente preponderante. Os modelos do tipo transformaÃÃo de chuva em vazÃo SMAP e HYMOD em intervalo diÃrio, os quais apresentam como entradas, alÃm da altura mÃdia de precipitaÃÃo, a evaporaÃÃo, tÃm sido aplicados a bacias hidrogrÃficas do Cearà apresentando bons Ãndices de correlaÃÃo na fase de validaÃÃo. A calibraÃÃo destes modelos envolve o ajuste dos seus parÃmetros percorrendo-se um espaÃo de busca a fim de se minimizar uma funÃÃo objetivo, tratando-se de um processo estocÃstico. Desta forma, objetivando-se apresentar um modelo nÃo-paramÃtrico e determinÃstico para a transformaÃÃo chuva-deflÃvio, sÃo utilizadas as Redes Neurais Artificiais, as quais tÃm apresentado desempenho satisfatÃrio na modelagem de problemas de difÃcil prediÃÃo, inclusive no Ãmbito dos recursos hÃdricos. Para o estudo de caso foi escolhida a bacia hidrogrÃfica da Barragem Arneiroz II, a qual dispÃe de um posto fluviomÃtrico com uma sÃrie pseudo-histÃrica relativamente extensa. Assim, foram calibrados os modelos HYMOD, SMAP, modelos tradicionalmente utilizados pela FUNCEME, e uma rede neural do tipo perceptron multicamadas, treinada pelo algoritmo de retro propagaÃÃo atravÃs do programa Q-net. Para a calibraÃÃo dos modelos SMAP e HYMOD foi utilizado um algoritmo evolucionÃrio denominado Particle Swarm Optimization (PSO). Os resultados obtidos com o modelo de RNA foram comparados aos resultados obtidos pelos modelos SMAP e HYMOD atravÃs do parÃmetro de desempenho proposto por Nash & Sutcliffe (1970). Os resultados obtidos mostraram que o modelo HYMOD foi aquele para o qual parÃmetro de Nash obtido foi maior que os valores dos modelos SMAP e RNA. A modelagem chuva-deflÃvio com as RNA nÃo apresentaram resultados satisfatÃrios se comparados aos outros dois modelos hidrolÃgicos empregados. Isto pode ser justificado pelo fato de que o modelo considerou apenas os dados de pluviometria, nÃo tendo sido abastecido com outras variÃveis importantes na definiÃÃo do fenÃmeno chuva-vazÃo. / A modelagem do comportamento de fenÃmenos complexos, como a transformaÃÃo de chuva em vazÃo, envolve o ajuste de uma sÃrie de parÃmetros, conferindo relativa dificuldade para sua prediÃÃo. No Estado do CearÃ, esta tarefa se torna ainda mais complicada, devido à carÃncia de dados fluviomÃtricos, e, sobretudo por se tratar de uma regiÃo caracterizada pelos baixos Ãndices pluviomÃtricos e pelo regime fluviomÃtrico intermitente preponderante. Os modelos do tipo transformaÃÃo de chuva em vazÃo SMAP e HYMOD em intervalo diÃrio, os quais apresentam como entradas, alÃm da altura mÃdia de precipitaÃÃo, a evaporaÃÃo, tÃm sido aplicados a bacias hidrogrÃficas do Cearà apresentando bons Ãndices de correlaÃÃo na fase de validaÃÃo. A calibraÃÃo destes modelos envolve o ajuste dos seus parÃmetros percorrendo-se um espaÃo de busca a fim de se minimizar uma funÃÃo objetivo, tratando-se de um processo estocÃstico. Desta forma, objetivando-se apresentar um modelo nÃo-paramÃtrico e determinÃstico para a transformaÃÃo chuva-deflÃvio, sÃo utilizadas as Redes Neurais Artificiais, as quais tÃm apresentado desempenho satisfatÃrio na modelagem de problemas de difÃcil prediÃÃo, inclusive no Ãmbito dos recursos hÃdricos. Para o estudo de caso foi escolhida a bacia hidrogrÃfica da Barragem Arneiroz II, a qual dispÃe de um posto fluviomÃtrico com uma sÃrie pseudo-histÃrica relativamente extensa. Assim, foram calibrados os modelos HYMOD, SMAP, modelos tradicionalmente utilizados pela FUNCEME, e uma rede neural do tipo perceptron multicamadas, treinada pelo algoritmo de retro propagaÃÃo atravÃs do programa Q-net. Para a calibraÃÃo dos modelos SMAP e HYMOD foi utilizado um algoritmo evolucionÃrio denominado Particle Swarm Optimization (PSO). Os resultados obtidos com o modelo de RNA foram comparados aos resultados obtidos pelos modelos SMAP e HYMOD atravÃs do parÃmetro de desempenho proposto por Nash & Sutcliffe (1970). Os resultados obtidos mostraram que o modelo HYMOD foi aquele para o qual parÃmetro de Nash obtido foi maior que os valores dos modelos SMAP e RNA. A modelagem chuva-deflÃvio com as RNA nÃo apresentaram resultados satisfatÃrios se comparados aos outros dois modelos hidrolÃgicos empregados. Isto pode ser justificado pelo fato de que o modelo considerou apenas os dados de pluviometria, nÃo tendo sido abastecido com outras variÃveis importantes na definiÃÃo do fenÃmeno chuva-vazÃo.

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.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / This work seeks to integrate climatic, hydrologic, and reservoir operation models in order to optimize available water volume in the Brazilian Northeast. The global ECHAM 4.5 climate model was used to feed the RAMS regional climate model for the Alto Jaguaribe hydrographic basin. Resulting precipitation values were calibrated by the probability density function (PDF) correction of simulated data compared with average daily precipitation data using the Thiessen method for the period 1979-2009. The Heidke Skill Score (HSS) was used to evaluate model performance in the Maximum Predictable Time Interval (ITEMP) of the atmospheric model. These PDF-corrected precipitation data, both observed and RAMS-simulated, were inserted in the hydrologic Soil Moisture Account (SMA) model from the Hydrologic Engineering Center â Hydrologic Modeling System (HEC-HMS) to determine modeled flows. These flows were then compared with median observed flows. To calibrate and validate the SMA, an iterative method was used to minimize percentage error of volume. The data returned by this cascade model was applied to assisting policy-makers determine water releases from the OrÃs reservoir. Three different scenarios were compared, the first based on observed flows, the second flows simulated by SMA with observed precipitation, and the third by flows simulated by SMA driven by the RAMS-PDF precipitation data. The RAMS model showed optimal efficiency in precipitation prediction on a 30 to 45 day interval, with HSS values of 0.56. The SMA model showed satisfactory performance with Nash-Sutcliffe values of 0.89 in the calibration phase and 0.67 in the validation phase, demonstrating its capacity to assist hydrological modeling in the semi-arid. This cascade model showed potential in accurately representing median inflows for the reservoir and as such can be used as a hydrologic tool, assisting reservoir operation decisions to meet the regionâs demand. Keywords: Soil Moisture Account; hydrologic / O presente trabalho visa o acoplamento de modelo atmosfÃrico, hidrolÃgico e de operaÃÃo de reservatÃrio com vistas à otimizaÃÃo da liberaÃÃo de Ãguas no semiÃrido do nordeste brasileiro. O modelo atmosfÃrico regional RAMS foi forÃado pelo modelo atmosfÃrico global ECHAM 4.5, na bacia hidrogrÃfica do Alto Jaguaribe, e em seguida, aplicada a correÃÃo probability density function (PDF) nos dados simulados e comparado com dados diÃrio de precipitaÃÃo mÃdia observada pelo mÃtodo de Thiessen no perÃodo de 1979-2009. Foi utilizando o Heidke Skill Score (HSS) como mÃtrica principal para avaliar o desempenho da previsÃo em busca do Intervalo de Tempo de MÃxima Previsibilidade (ITEMP) do modelo atmosfÃrico. Os dados de precipitaÃÃes observados e simulados pelo RAMS com correÃÃes PDFs foram inseridos no modelo hidrolÃgico Soil Moisture Account (SMA) do Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Modeling System (HEC-HMS), e comparado com as vazÃes mÃdias observadas. Para a calibraÃÃo e validaÃÃo do SMA, foi realizado um mÃtodo interativo para minimizar uma funÃÃo objetivo, com base no erro percentual do volume. Por fim foi desenvolvido e avaliado um modelo de cascata a fim de comparar as decisÃes operacionais de liberaÃÃo do reservatÃrio OrÃs com diferentes cenÃrios com base nas vazÃes observadas, vazÃes simuladas pelo SMA com a precipitaÃÃo observada e vazÃes simuladas pelo SMA forÃada com o RAMS-PDF. O modelo RAMS mostrou melhor eficiÃncia na previsÃo da precipitaÃÃo no intervalo de 30 a 45 dias, com valores de HSS = 0,56. O modelo SMA mostrou desempenho satisfatÃrio com valores de Nash-Sutcliffe de 0,89 na fase de calibraÃÃo e 0,67 na fase de validaÃÃo, mostrando ser uma nova alternativa de utilizaÃÃo de modelo hidrolÃgico no semiÃrido. O modelo de cascata mostrou potencial em representar bem as afluÃncias mÃdias do reservatÃrio, podendo tornar uma ferramenta hidrolÃgica, auxiliando as decisÃes de operaÃÃo dos reservatÃrios, atendendo as demandas da regiÃo.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / A hidrologia do semiÃrido à bastante diferente da hidrologia de regiÃes Ãmidas e Ãridas. Compreender a hidrologia sob o clima atual e futuro, bem como sob a influÃncia do uso e ocupaÃÃo da terra, à essencial para a gestÃo e planejamento dos recursos hÃdricos. O mecanismo de interaÃÃo rio-aquÃfero reflete indiretamente no conhecimento da recarga das Ãguas subterrÃneas, sendo, portanto, um prÃ-requisito para uma gestÃo eficiente e sustentÃvel do recurso hÃdrico subterrÃneo. O modelo Dryrios foi desenvolvido para simular a dinÃmica rio-aquÃfero em regiÃes Ãridas e semiÃridas. Nesse contexto, o objetivo desse trabalho foi avaliar a dinÃmica de fluxo rio-aquÃfero na Bacia HidrogrÃfica Patos/ CariÃs/ Iguatu, localizada na RegiÃo Centro-Sul do Estado do CearÃ, utilizando o modelo Dryrios. Nesse trabalho realizou-se o monitoramento de trÃs poÃos localizados na Ãrea de estudo, no perÃodo de 2010 a 2013. As vazÃes do rio foram monitoradas pela CPRM. Com informaÃÃes de variÃveis hidrolÃgicas obtidas foram realizadas trÃs parametrizaÃÃes. Considerando sete eventos hidrolÃgicos observados, realizou-se uma anÃlise de sensibilidade, utilizando o Erro (E) como parÃmetro de anÃlise. Simultaneamente realizou-se a calibraÃÃo do modelo, considerando os parÃmetros mais sensÃveis, utilizando na anÃlise o coeficiente de eficiÃncia NASH (COE), reduzindo incertezas do processo de parametrizaÃÃo do modelo. Em seguida realizou-se simulaÃÃes dos sete eventos hidrolÃgicos buscando a validaÃÃo do modelo, utilizando o E e o COE na anÃlise dos resultados obtidos de vazÃes do rio e cargas hidrÃulicas do aquÃfero. Na anÃlise tambÃm comparou-se os valores calculados e observados dos volumes transportados por evento e dos picos mÃximos de vazÃo. Os resultados mostraram que apenas dois parÃmetros apresentaram sensibilidade, condutividade hidrÃulica saturada e sucÃÃo na frente de molhamento. Na calibraÃÃo do modelo, nÃo constatou-se melhoras aceitÃveis. ApÃs as calibraÃÃes do modelo, o melhor COE para as vazÃes foi de 36%, um valor aceitÃvel. Em todas as calibraÃÃes as cargas hidrÃulicas do aquÃfero nÃo apresentaram COE's aceitÃveis. Assim, a utilizaÃÃo do Dryrios pela sociedade civil e instituiÃÃes gestoras de recursos hÃdricos nÃo representa bem a realidade, inviabilizando a tomada de decisÃes, especialmente em se tratando de Ãguas subterrÃneas. / The hydrology of semiarid region is quite different from the hydrology of humid and arid regions. Understanding the hydrology under current and future climate, as well as under the influence of the use and occupation of land, is essential for the management and planning of water resources. The interaction mechanism river-aquifer indirectly reflects the knowledge of the groundwater recharge, thus being a prerequisite for the efficient and sustainable management of the groundwater resource. The Dryrios model was developed to simulate the dynamics of river-aquifer in arid and semiarid regions. In this context, the aim of this study was to evaluate the dynamics of river-aquifer flow in the Basin Patos / Carius / Iguatu, located in the South Central region of the state of CearÃ, using Dryrios model. In this work we carried out the three monitoring wells located in the study area in the period 2010-2013. Flows River were monitored by CPRM. With information on hydrological variables obtained three parameterizations were performed. Considering seven observed hydrological events, we carried out a sensitivity analysis using the Error (E) as a parameter for analysis. Simultaneously there was the calibration of the model, considering the most sensitive parameters, using the analysis the coefficient of efficiency NASH (COE), reducing the uncertainties of the model parameterization process. Then took place the seven hydrological simulations events aiming to validate the model using E and the COE in the analysis of the results of flow of the river and the aquifer hydraulic loads. The analysis also compared the calculated and observed values of the volumes transported by the event and the maximum peak flows. The results showed that only two parameters had sensitivity saturated hydraulic conductivity and wetting front suction. To calibrate the model, it was found not acceptable improvements. After the calibration of the model, the COE for better flow rates was 36%, an acceptable value. In all calibrations hydraulic loads of the aquifer showed no COE's acceptable. Thus, the use of Dryrios civil society and water resources management institutions did not represent reality, preventing decisionmaking, especially when it comes to groundwater.

A experiÃncia tem mostrado que buscas de Ãtimos baseadas em apenas um objetivo, por mais cuidadosas que sejam, nÃo conseguem determinar uma soluÃÃo que modele satisfatoriamente um dado fenÃmeno. O uso de abordagens multiobjetivo pode ainda ser justificado pela natureza dos problemas reais, a qual requer a utilizaÃÃo de mÃltiplos objetivos, muitas vezes conflitantes. Um conceito muito utilizado neste contexto à o de dominÃncia de Pareto, a qual possibilita comparar soluÃÃes usando mÃltiplos objetivos e explorar diferentes caracterÃsticas dos dados observados. Este trabalho tem como foco a aplicaÃÃo de algoritmos evolucionÃrios baseados no acasalamento de abelhas em sua versÃo uni- (Honey-Bee Mating Optimization - HBMO) e multiobjetivo (Multiobjective Honey-Bee Mating Optimization - MOHBMO) na minimizaÃÃo de funÃÃes-teste, calibraÃÃo de modelos hidrolÃgicos e otimizaÃÃo da operaÃÃo de sistemas de reservatÃrios. A versÃo uniobjetivo à aquela proposta por Haddad et al. (2006), enquanto a multiobjetivo à uma proposiÃÃo do presente trabalho. Como algoritmos de referÃncia da performance foram utilizados: PSO (Particle Swarm Optimization), sua versÃo multiobjetivo MOPSO (Multiobjective Particle Swarm), SCEM (Shuffled Complex Evolucion Metropolis) e sua versÃo multiobjetivo MOSCEM (Multiobjective Shuffled Complex Evolucion Metropolis). AplicaÃÃes teÃricas foram realizadas pela minimizaÃÃo de problemas compostos por funÃÃes matemÃticas encontradas na literatura. AplicaÃÃes reais de calibraÃÃo de modelos hidrolÃgicos e operaÃÃes de sistemas de reservatÃrios tiveram como estudo de caso a calibraÃÃo dos modelos HYMOD e SMAP a nÃvel diÃrio para 15 estaÃÃes fluviomÃtricas localizadas nos estados do Cearà e Piauà e a otimizaÃÃo da operaÃÃo do sistema de reservatÃrios que compÃem o sistema de abastecimento de Ãgua da RegiÃo Metropolitana de Fortaleza, respectivamente. / Experience suggests that any single-objective search, no matter how carefully chosen, is not able to identify a solution capable of satisfactorily model a phenomenum of interest. Use of a multiobjective approach can yet be justified by the nature of real world problems, which in general involve multiobjectives, most of the time conflicting objectives. An approach very often used in multicriteria optimization is the concept of Pareto dominance, which allows us to compare different solutions by using different objectives and to explore different characteristics of the observed data. This dissertation employs evolutionary algorithms inspired on honey-bee mating for single (Honey-Bee Mating Optimization - HBMO) e multiobjectives (Multiobjective Honey-Bee Mating Optimization - MOHBMO) in the minimization of test functions and calibration of watershed models. The singleobjective version is the one introduced by Haddad et al. (2006), while its multiobjective version is proposed by the present work. As reference of their performance, the following algorithms were used: PSO (Particle Swarm Optimization), and its multiobjective version MOPSO (Multiobjective Particle Swarm), SCEM (Shuffled Complex Evolucion Metropolis) and its multiobjective version MOSCEM (Multiobjective Shuffled Complex Evolucion Metropolis). Well known theoretical functions were used to test the proposed algorithms. Real world applications on hydrologic model calibration employing HYMOD and SMAP models, with daily time steps, were carried out for 15 streamflow gauge stations located in the states of Cearà e PiauÃ. Besides, an optimization study for the operation of the reservoir system that supplies water for the Metropolitan Region of Fortaleza was also executed.

FundaÃÃo de Amparo à Pesquisa do Estado do Cearà / A premissa pelo uso racional da Ãgua tem demandado informaÃÃes em escalas de espaÃo e tempo cada vez menores. Neste estudo investiga-se a sensibilidade da simulaÃÃo climÃtica de um downscaling dinÃmico de precipitaÃÃo (1971-2000) acoplado a um modelo chuva-vazÃo e sua aplicaÃÃo na operaÃÃo de um reservatÃrio hÃdrico na regiÃo semi-Ãrida do Estado do CearÃ. Foi dada uma Ãnfase a escala intrasazonal (abaixo de um mÃs) em anos de contrastess climÃticos classificados como de La NiÃa, El NiÃo e Normais ocorridos no Oceano PacÃfico Tropical. Foram usados o modelo de circulaÃÃo geral da atmosfera ECHAM4.5, e o modelo regional, denominado de Modelo Regional Espectral (MRE), versÃo 97, do National Centers for Atmospheric Prediction- NCEP. O MRE foi aninhado aos dados simulados pelo ECHAM4.5 tendo como condiÃÃo de contorno a Temperatura da SuperfÃcie do Mar observada no perÃodo de janeiro a junho de 1971-2000. Para a estimativa de vazÃo foi usado o modelo SMAP. Entre os principais resultados citam-se: apÃs a correÃÃo pela tÃcnica das Probability Density Functions (PDFs), os dados simulados pelo MRE, conseguiram capturar melhor a variabilidade diÃria da precipitaÃÃo no posto fluviomÃtrico de Iguatu, mÃdia entre 01 de janeiro e 30 de junho. A explicaÃÃo da variÃncia antes da correÃÃo foi de menos de 5%, passando a em torno de 40% apÃs as correÃÃes pelas PDFs. As simulaÃÃes de vazÃo, analisadas pela explicaÃÃo da variÃncia, coeficiente de correlaÃÃo ao quadrado, mostraram que hà um ganho de explicaÃÃo desta variÃncia de duas ou mais vezes, quando se compara esta explicaÃÃo em relaÃÃo à precipitaÃÃo. Este ganho foi observado tanto para perÃodos diÃrios, pentadais e quinzenais e para todo o perÃodo (1971-2000). Mais de 70% do sinal das anomalias pentadais de vazÃo foram bem simulados. SimulaÃÃes de volume de um reservatÃrio hipotÃtico (com as caracterÃsticas do AÃude OrÃs), com volume inicial V0=0,25k (capacidade mÃxima - 1940 hm3), 0,50k e 0,75k, mostraram que hà potencial do uso dessa informaÃÃo de precipitaÃÃo em cascata com o modelo chuva-vazÃo, em particular para os anos classificados como Normais. A explicaÃÃo da variÃncia entre os volumes simulados e observados diÃrios, para os meses de janeiro a junho, para estes anos Normais tiveram resultados mais expressivos. Esta ficou torno ou mais de 80%. Em sÃntese, os resultados evidenciaram o potencial de uso da simulaÃÃo acoplada da modelagem dinÃmica atmosfÃrica com a modelagem hidrolÃgica associada à operaÃÃo do reservatÃrio. / The premiss for the rational use of water has demanded information on smaller space and time scales. This study investigates the sensitivity of climate simulation of a dynamic downscaling of precipitation (1971-2000) coupled to a rain-flow model and its application to the operation of a water reservoir in the semi-arid region of Cearà State. Emphasis was given to intra seasonal scale (smaller than a month) in years of climatic contrasts classified with La NiÃa, El NiÃo and Normals (averaged) in the Tropical Pacific Ocean. We used atmospheric general circulation model ECHAM4.5, and the Regional Spectral Model (RMS), version 97 of National Center for Atmospheric Prediction-NCEP. The RSM was nested with data simulated by ECHAM4.5, taking as boundary condition the sea surface temperature observed in the period January to June 1971-2000. For estimating streamflow we rate used the SMAP model. Results show that after the technique of Probability Density Functions (PDFs) correction, the simulation by RSM, best captured daily variability of precipitation at fluviometric post of Iguatu, average, from 01 January to 30 June. The explaned variance before the correction was less than 5%, rising to around 40% after the correction by PDFs. The simulations of streamflow, analyzed by the explaned variance, square of correlation coefficient, shows that there is a two or more gain of explaned this variance, as compared with explanation to streamflow in relation to rainfall. This gain is observed for all periods (daily and accumulated five and fifteen days), and for the entire period (1971-2000). More than 70% pentads anomalies of stramflow were well simulated. Simulations of volume of a hypothetical reservoir (with the characteristics of the OrÃs Dam) with initial volum V0 = 0.25k ( maxim capacity - 1940 hm3), 0.50k and 0.75k, showed that there is the potential use of that cascade information of precipitation with rain-flow model, in particular for averaged years classified. The explanation of the variance between simulated and observed daily volumes for the months of January to June, for these years Normal results was more expressive. This was about 80%. In summary, the results showed the potential for use of coupled simulation model between atmospheric modeling water associated with the reservoir operation.

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.