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

A Bacia do Alto Tiete abriga cerca de 50% dos habitantes do Estado de São Paulo e é afetada freqüentemente por eventos de inundações. Uma das principais fontes de problemas é a alta impermeabilização devida à ocupação da superfície nas últimas décadas. Um dos seus tributários secundários, a bacia do Rio Pirajuçara se insere neste contexto e sofre com problemas da mesma natureza. A modelagem hidrológica permite uma análise do escoamento superficial nestes ambientes e é útil na previsão de vazões por meio de redes telemétricas e sensoriamento remoto. Entretanto, redes telemétricas apresentam problemas de representatividade espacial e exposição, radares meteorológicos, apesar da maior resolução espaço-temporal das estimativas de precipitação, possuem várias fontes de erros e incertezas. A principal delas se refere à relação ZR. Deste modo, a integração dessas medições e estimativas pode minimizar erros de ambas. O objetivo deste estudo é analisar aspectos hidrológicos da Bacia do Rio Pirajuçara por meio do modelo TOPMODEL com medições de vazão e precipitação disponíveis para 18 eventos monitorados entre outubro de 2008 a outubro de 2009. O modelo TOPMODEL foi calibrado com dez eventos e verificado com os demais. A calibração foi realizada com os dados da telemetria da Bacia do Alto Tietê, radar meteorológico de São Paulo e a combinação de ambos por meio da análise objetiva estatística. Os resultados da calibração indicam que o melhor desempenho foi obtido com radar meteorológico, com número de NASH de 0,51, menor erro quadrático médio e menor viés médio absoluto. A verificação também indicou o mesmo resultado com número de NASH de 0,69. As simulações indicam que apesar da utilização da precipitação média, o modelo TOPMODEL simulou adequadamente cerca de 75% das vazões de alerta. O trabalho evidencia as limitações da telemetria e seus impactos na integração com os dados do radar. / The Alto Tiete watershed is home for about 50% of the inhabitants of São Paulo State and is affected by recurrent flashfloods. One major source of difficulties is the high rate of soil impermeabilization caused by dense surface occupation in the last decades. One of its secondary tributaries, the Pirajussara watershed suffers with similar problems. Hydrological modeling allows the analysis of runoff and other variables in these basins. It also useful for streamflow forecast based on telemetric networks and remote sensing measurements. However, surface networks lack spatial representativity and exposure is a also a issue, weather radars, in spite of their much higher spatial and temporal resolution rainfall estimation, are affect by several sources of errors and uncertainties; the most significant one being the ZR relationship. Thus, the integration of these measurements and estimates can minimize errors of both. The goal of the present work is to analyze the surface hydrology of the Pirajussara watershed based on the TOPMODEL, streamflow and rainfall measurements available for eighteen events between October 2008 and October 2009. The TOPMODEL was calibrated with ten events and verified with the remaining events. The calibration was performed with the Alto Tiete telemetric measurements of streamflow and rainfall only, the São Paulo weather radar (SPWR) only and a combination of both through the statistical analysis scheme. Calibration results show a better performance for the SPWR with a NASH number of 0.51, least SME and mean bias. On the other hand, the verification also indicated better results for the SPWR with a NASH number of 0.69. The simulations indicate that in spite of the use of the mean rainfall over the watershed, the TOPMODEL performed adequately for 75% of the streamflow alerts. It is also evident the limitation of the available network and its impacts on the integration to the SPWR rainfall data.

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

Os processos de cheias em bacias urbanas vêm sendo agravados devido a uma série de motivos associados à ocupação desordenada do solo urbano. As medidas de controle de enchentes podem ter sua eficiência analisada através da modelagem hidrológica matemática. É neste sentido que o presente trabalho analisa a influência da urbanização sobre os distúrbios no escoamento superficial, por meio de simulações de cenários urbanísticos propostos, com a finalidade de servir como ferramenta de planejamento urbano. Para isso, definiu-se como área de estudo, parte da bacia do Córrego do Gregório, São Carlos - SP. As principais informações da bacia a serem consideradas são: topografia, hidrografia, uso do solo urbano, expansão da área urbana, áreas de proteção ambiental e divisores de microbacias. O modelo hidrológico utilizado é o IPHS-1, do tipo concentrado. Para essa análise são propostos e simulados cenários urbanísticos, baseados na adoção de medidas de controle de inundações não-estruturais, referindo-se principalmente, à conservação de áreas verdes e disciplinamento do uso e ocupação do solo, verificando sua eficiência na redução do volume escoado e atenuação das vazões de pico. / The flooding processes in urban basins have become worse due to many reasons. All of them associated with the disorganized occupancy of the urban area land. The efficiency of flood mitigation measures can be analyzed by mathematical modeling. This study aims to be used as a tool for urban planning and it analyses the influence of the urbanization processes on surface runoff, using simulation of several urbanization scenarios. The case study was undertaken at the Gregório River Basin in São Carlos - SP. The main information considered was topography, hydrology, urban land use, urbanization, protected land and sub-basins. The software used was IPHS-1 which is a lumped hydrologic model. In this research many urbanization scenarios are proposed and simulated. These views are based in many nonstructural flood mitigation alternatives such as land cover conservation, use and occupancy of the land, in order to check their efficiency in reducing the total volume of surface runoff and the peak flow.

Os reservatórios se constituem numa das principais formas estabelecidas pelo homem de modificar o ciclo hidrológico ao armazenar água para sua utilização no futuro. Em algumas regiões do país este mecanismo é de fundamental importância para o atendimento das demandas consultivas, seja pelas condições adversas do clima, como é o caso do semiárido nordestino, como também em função da alta demanda de água requerida para o atendimento da irrigação, como ocorre em algumas áreas do Rio Grande do Sul. Este trabalho apresenta uma metodologia de balanço hídrico em rios e reservatórios de pequeno porte, cujo foco é o atendimento aos instrumentos da Política Nacional de Recursos Hídricos, como a outorga de direito de recursos hídricos e as políticas de planejamento. A metodologia está baseada na integração entre o modelo hidrológico chuva-vazão MGB-IPH como recurso para obtenção das séries afluentes de cada reservatório e trecho de rio do sistema hídrico. Associado ao modelo hidrológico, está a integração com os Sistemas de Informações Geográficas, que possuem a vantagem de obtenção das características físicas da bacia de forma automática, facilitando também a associação com os objetos que representam o sistema hídrico (i.e. demandas e reservatórios). O modelo de simulação realiza a contabilização do movimento de água através de um sistema de reservatórios e trechos de rio, cuja progressão de cálculo é realizada de montante para jusante. Como técnica de otimização, foi utilizado o algoritmo SCE-UA, baseado na teoria dos algoritmos evolucionários. A metodologia desenvolvida foi aplicada na Bacia do Rio Quaraí, caracterizada pelo intenso uso da água para o atendimento das demandas da irrigação, e também pelo estabelecimento de centenas de pequenas estruturas de reservação de água, destinadas ao abastecimento destas demandas. Os resultados indicaram que não há água suficiente para o atendimento das demandas da irrigação em 100% do tempo. Em média, apenas 75% do volume total de água requerido para o atendimento das demandas atuais poderia ser atendido, considerando o período simulado de 20 anos. Nos anos mais críticos pode ocorrer o esgotamento do curso principal do Quaraí e outros locais, decorrência das retiradas de água, além do efeito da reservação de água pelos açudes, pois admitiu-se a hipótese de não existirem descarregadores de fundo nessas estruturas. Como alternativas para a gestão da água na bacia, apontam-se a definição de critérios de outorga para retiradas e liberação de água em reservatórios, além de implementação de novas estruturas de reservação e regularização. / Reservoirs are the most important form established by the man to modify the hydrological cycle to store water for use in the future. In some regions of Brazil this mechanism is crucial to meet the advisory needs, either by adverse weather conditions, such as the semi-arid northeast, but also due to the high demand of water required to meet the irrigation, as occurs in some areas of Rio Grande do Sul. This work presents a methodology of water balance in rivers and small reservoirs, whose focus is to achieve the goals of the instruments of the National Water Resources Policy, as the water rights and the planning policies. The methodology is based on the integration between the hydrological rainfall-runoff model MGB-IPH as a resource for obtaining streamflow series from upstreams of each reservoir and for all sub-watershed defined on the water system. Associated with the hydrological model is the integration with Geographic Information Systems, which have the advantage of obtaining the physical characteristics of the basin automatically, it also facilitates association with objects that represent the water system (i.e. demands and reservoirs). The simulation model performs accounting for the movement of water through a system of reservoirs and river stretches whose progression calculation is performed from upstream to downstream. As optimization technique, the SCE-UA algorithm, based on the theory of evolutionary algorithms was used. The procedure was applied in the Quaraí River Basin, characterized by intense use of water to meet the irrigation demands, and also by the establishment of hundreds of small structures reservation of water, destined to supply these demands. The results indicated that there is not water enough to meet the demands of irrigation at 100% of the time. On average, only 75% of the total volume of water required to meet the current demands could be met, considering the simulated period of 20 years. In the most critical years can occur exhaustion of the main course of the Quaraí and other sites, due to withdrawals plus the effect of the reservation by dams, it admitted the hypothesis that there are no releases in this structures. As alternatives to water management in the basin, point the definition of licensing criteria for withdrawals and releases in dams, as well as implementing new reservoir with regularization structures.

Mudanças climáticas podem afetar a distribuição espacial e temporal das variáveis hidrológicas, tendo como consequências alterações nos regimes de precipitação e vazão dos rios. Aumentos ou reduções no volume de escoamento de uma bacia hidrográfica podem, por exemplo, produzir danos aos ecossistemas, afetar a produção de alimentos, abastecimento de água, navegação e geração de energia. Atualmente buscam-se relações que permitam entender os processos de mudanças climáticas a fim avaliar os impactos e mitigá-los, assim como avaliar as incertezas inerentes ao processo de modelagem hidrológica de tais mudanças. Neste contexto este trabalho apresenta uma metodologia de quantificação e análise de incertezas para estudos de mudanças climáticas, tomando como estudo de caso a bacia hidrográfica do Rio Uruguai (BHRU) com área aproximada de 110,000 Km². Para tanto três fontes de incerteza foram analisadas e comparadas: o modelo hidrológico, técnicas de remoção de viés e modelos climáticos. O modelo hidrológico MGB-IPH foi avaliado quanto ao processo de parametrização, utilizando diferentes períodos de simulação para calibração: (i) Período de calibração 1 – MGB/P1: representando a série completa de observações de 1960-1990 com verificação no período de 1992-1999; (ii) Período de calibração 2 - MGB/P2: calibração em período seco e verificação de período de cheias (iii) Período de calibração 3 – MGB/P3: calibração em período característico de cheias e verificação de período de estiagem. Três diferentes técnicas de remoção de viés foram aplicadas para analisar o grau de incerteza que a escolha de um determinado método de correção pode agregar ao resultado final: (i) RV1 - Técnica de Mapeamento Quantil-Quantil; (ii) RV2 - Técnica de Escalonamento Linear e (iii) RV3 - Técnica Delta change. Os modelos climáticos globais (GMC’s) foram analisados quanto a sua estrutura, comparando projeções de cinco diferentes modelos: MPEH5 (ECHAM5/MPIOM), GFCM21 (GFDL-CM2.1), MRCGCM (MRI-CGCM2.3.2), HADCM3 (UKMO-HadCM3) e NCCCSM (CCSM3). Adicionalmente, também foram analisadas as projeções climáticas de cinco diferentes versões do modelo climático regional (RCM) ETA/CPTEC: CT20, CT40, LOW, MID e HIGH. Inicialmente os resultados das simulações provenientes de cada uma destas fontes foram comparados de maneira isolada e em seguida de maneira combinada. Portanto, a metodologia foi dividida em Etapa (1) e Etapa (2). A Etapa (1) teve por objetivo responder a seguinte pergunta: Qual dentre as fontes de incerteza selecionadas agrega maior variação ao resultado final? Ou seja, qual destas fontes propaga maior incerteza em termos de impactos de mudanças climáticas na BHRU? Os resultados obtidos por cada uma das fontes de incerteza foram comparados em termos de anomalias de vazões médias de longo período (QMLP), máximas e mínimas anuais. Na Etapa (2) foi realizada a análise total de incerteza, ou seja, a análise combinada dos resultados obtidos na Etapa (1). As anomalias de vazões foram apresentadas utilizando as curvas de distribuição acumulada (CDF’s) e a incerteza total expressa pela diferença entre os percentis 5% e 95%. Considerando os resultados obtidos para as vazões médias de longo período (QMLP), as fontes podem ser ordenadas de forma decrescente, em relção ao grau de incerteza que propagam: modelos climáticos globais > modelos climáticos regionais > técnicas de remoção de viés > modelo hidrológico. Para as vazões extremas os RCM’s apresentam as maiores variações de anomalias se comparadas às dos modelos hidrológicos e técnicas de remoção de viés, inclusive para ambos os extremos, máximos e mínimos. Esta variação se dá principalmente, pelos resultados de LOW e MID. Estas informações podem ajudar os gestores e tomadores de decisão no adequado gerenciamento e planejamento dos recursos hídricos sob condições de mudanças climáticas, assim como o entendimento da incerteza associada. / Climate change can affect the spatial and temporal distribution of hydrological variables, with the consequences of changes in precipitation regimes and river flows. Increase or decrease the flow of rivers, for example, can cause damage to ecosystems, affecting food production, water supply, navigation and power generation. Currently seeking to relationships that allow understand climate change processes in order to assess the impacts and mitigate them, and assess the uncertainties inherent in hydrologic modeling process of such climate change. This thesis aimed at the development of a methodology for quantification and analysis of uncertainties for climate change studies in hydrology , taking as a case study the basin of the Uruguay River (BHRU) with a drainage area near 110,000 km². For that three sources of uncertainty were analyzed and compared: the hydrologic model, bias removal techniques and climate models. The hydrological model MGB-IPH was evaluated for parameterization, using different simulation periods for calibration: (i) MGB /P1: full range with calibration period (1960-1990) and validate (1992-1999); (ii) MGB / P2: calibrated in the period of dry and validated in the flood season (iii) MGB/P3: calibrated in the period of floods and validated in the dry season. Three different bias correction methods were applied to analyze the degree of uncertainty that the choice of a particular method of correction can add to the final result: (i) RV1 - Quantil-Quantil Mapping; (ii) RV2 - Linear Scaling, and (iii) RV3 - Delta Change Technique. Global climate models (GMC's) were analyzed for their structure, comparing projections of five different models: MPEH5 (ECHAM5/MPI-OM), GFCM21 (GFDLCM2.1), MRCGCM (MRI-CGCM2.3.2), HADCM3 (UKMO-HadCM3) e NCCCSM (CCSM3). Additionaly, climate projections from five different versions of the regional climate model (RCM) ETA / CPTEC were also analyzed: CT20, CT40, LOW, MID e HIGH. Initially the simulation results from each of the sources of uncertainty were compared individually (single propagation) and then in a combined way (multi propagation). Therefore, the methodology was divided in Step (1) and Step (2). Step (1) aimed to answer: Which of the selected sources of uncertainty adds more variation to the final result? Which of these sources propagates greater uncertainty in terms of impacts of climate change on BHRU? The results for each of the sources of uncertainty were compared in terms of long-term mean flow (QMLP), maximum and minimum annual flow. In Step (2) total uncertainty analysis was performed, therefore the combined analysis of the results obtained in Step (1). The anomalies in discharge were presented using the cumulative distribution function (CDF's) and the total uncertainty expressed by the difference between the percentiles 5% and 95%. Throughout the application of the proposed methodology it was concluded that: (i) for the extremes (maximum and minimum) annual discharges the largest source of uncertainty are the projections of the RCM's, followed by the the bias removal technique and finally the hydrological model; (ii) for the QMLP the largest source of uncertainty are followed global climate models, then the regional climate models. This information can help managers and decision makers in the proper management and planning of water resources under climate change conditions, as well as the understanding of the associated uncertainty.

Studies from the Forestry Institute of São Paulo State have shown that in the end of the 20th century, the native forest cover of the state of SP reached the maximum level of forest loss. From that point on, a period of forest increase and expansion started. Industrialization, law enforcement, economic benefits, and social pressure experienced in recent years are believed to be contributing to the preservation and regrowth of the native vegetation cover in certain locations. This study proposed to model the dynamics of native vegetation cover in the Piracicaba River basin (12,500 km²) in the state of São Paulo, Brazil, to evaluate possible effects of these changes in ecosystem services related to river flow & regulation and landscape structure, linking to biodiversity & habitat supported by forest patches. To achieve the proposal set out in this research, dynamic models of native vegetation were established. Thematic land cover maps of the years 1990, 2000 and 2010, originated from Landsat 5 TM images, formed the spatiotemporal basis of this study. With the aid of Dinamica EGO (a dynamic modeling software), three future scenarios were created, called status quo (SQ), no deforestation (ND) and riparian restoration enforcement (RRE). An analysis using weights of evidence was done to identify forest transition drivers. The drivers are divided into two groups, (1) environmental & physical, consisting of soil types, hydrographic network, rainfall and presence of native forest fragments and (2) anthropic, consisting of population density, gross national product, road network, urban patches and predominant rural activities. Resulting scenarios were analyzed by means of landscape metrics to compare and qualify vegetation patches in relation to structure as proxy for supporting ecosystem services. Finally, Soil & Water Assessment Tool (SWAT), a hydrological model, was used to determine the influence of different forest scenarios in mean annual water yield and regulation processes throughout the basin, and, therefore, compare scenarios as to effects on regulating ecosystem services. Results show that forest transition is indeed occurring, with native vegetation cover parting from 24.4% in 1990, to 20.1% in 2000 and 21.8% in 2010. Scenario results were of 22.4% (SQ), 43.2% (ND) and 28.4% (RRE) for 2050. Forest loss was identified as a product of anthropogenic drivers while regrowth was of physical & environmental drivers. When the area was segmented, regions with greater environmental condition resulted in improved values of landscape structure. SQ scenario was the most affected, losing small patches of forest that could function as structural connectors, and therefore potentially affect biodiversity and habitat. Mean annual water yield was reduced with forest regrowth by as much as 10.3% in ND. We concluded that the dynamics occurring in the landscape and the proposed scenarios affect mean annual water yield, regulation and landscape structure, allowing us to discuss differences between the scenarios and the relation between forest dynamics, landscape structure, hydrology and overtime potential effects over regulating and supporting ecosystem services. / Levantamentos do Instituto Florestal de São Paulo têm mostrado que no final do século XX a cobertura florestal nativa total do estado atingiu um patamar de perda e que se iniciou então um período de expansão. Rigidez de leis, fiscalização, benefícios econômicos, além de pressão social demonstrados nos últimos anos têm contribuído para essa expansão da vegetação nativa em certos locais. Este estudo propôs modelar a dinâmica da cobertura florestal nativa na bacia do Rio Piracicaba (12.500 km2), localizada no Estado de São Paulo, para averiguar os possíveis efeitos dessas mudanças nos serviços ecossistêmicos ligados à vazão e regulação de rios, além da própria estrutura da paisagem simulada, interligando-se com biodiversidade e habitat, promovidos pelos remanescentes florestais. Para atingir a proposta estabelecida nesta pesquisa, modelos de dinâmica da vegetação nativa foram desenvolvidos. Foram utilizados mapas temáticos de cobertura e uso do solo dos anos 1990, 2000 e 2010 originados a partir de imagens Landsat 5 TM. Com auxílio do software Dinamica EGO, especializado em modelagem da paisagem, criaram-se três modelos espaciais e temporais da dinâmica florestal, levando em consideração os cenários status quo (SQ), no deforestation (ND) e riparian restoration enforcement (RRE). Uma análise usando pesos de evidência foi utilizada para identificar as variáveis de transição florestal. As variáveis foram divididas em dois grupos, (1) físicas e ambientais, consistindo de tipos de solo, rede de drenagem, pluviosidade e presença de fragmentos florestais e (2) antrópicos, consistindo de densidade populacional, produto interno bruto, rede viária, zonas urbanas e predominância de atividade rural. Os cenários resultantes foram analisados por métricas de paisagem para fim de comparação e qualificação dos fragmentos em relação a sua estrutura, interligando-se aos serviços ecossistêmicos de suporte. Por último, foi realizada uma modelagem hidrológica usando o modelo Soil & Water Assessment Tool (SWAT) para averiguar a influência da mudança florestal na regulação de vazão de rios e portanto comparar os cenários em relação aos seus efeitos sobre serviços ecossistêmicos de regulação interligados à água. Resultados mostraram que transição florestal ocorreu, passando a cobertura florestal de 24,4% em 1990 para 20,1% em 2000 e então 21,8% em 2010. Cenários resultaram em uma cobertura florestal de 22,4% (SQ), 43,2% (LE) e 28,4% (RRE) para o ano de 2050. A perda de floresta foi identificada como produto de variáveis de natureza antrópica enquanto o ganho florestal foi de variáveis físicas e ambientais. Regiões com melhores condições ambientais resultaram em melhores valores de estrutura da paisagem. SQ foi afetado principalmente pela perda de pequenos fragmentos florestais que funcionam como conectores estruturais da paisagem, potencialmente afetando a biodiversidade e habitat. O deflúvio médio anual foi reduzido em até 10,3% com o incremento florestal observado em ND. Conclui-se que a cobertura florestal na paisagem e os cenários propostos afetam o deflúvio, regulação e a estrutura da paisagem, nos permitindo discutir nas diferenças entre cada cenário e a relação entre dinâmica florestal, estrutura da paisagem, hidrologia e potenciais efeitos nos serviços ecossistêmicos de suporte e regulação.

Os processos de cheias em bacias urbanas vêm sendo agravados devido a uma série de motivos associados à ocupação desordenada do solo urbano. As medidas de controle de enchentes podem ter sua eficiência analisada através da modelagem hidrológica matemática. É neste sentido que o presente trabalho analisa a influência da urbanização sobre os distúrbios no escoamento superficial, por meio de simulações de cenários urbanísticos propostos, com a finalidade de servir como ferramenta de planejamento urbano. Para isso, definiu-se como área de estudo, parte da bacia do Córrego do Gregório, São Carlos - SP. As principais informações da bacia a serem consideradas são: topografia, hidrografia, uso do solo urbano, expansão da área urbana, áreas de proteção ambiental e divisores de microbacias. O modelo hidrológico utilizado é o IPHS-1, do tipo concentrado. Para essa análise são propostos e simulados cenários urbanísticos, baseados na adoção de medidas de controle de inundações não-estruturais, referindo-se principalmente, à conservação de áreas verdes e disciplinamento do uso e ocupação do solo, verificando sua eficiência na redução do volume escoado e atenuação das vazões de pico. / The flooding processes in urban basins have become worse due to many reasons. All of them associated with the disorganized occupancy of the urban area land. The efficiency of flood mitigation measures can be analyzed by mathematical modeling. This study aims to be used as a tool for urban planning and it analyses the influence of the urbanization processes on surface runoff, using simulation of several urbanization scenarios. The case study was undertaken at the Gregório River Basin in São Carlos - SP. The main information considered was topography, hydrology, urban land use, urbanization, protected land and sub-basins. The software used was IPHS-1 which is a lumped hydrologic model. In this research many urbanization scenarios are proposed and simulated. These views are based in many nonstructural flood mitigation alternatives such as land cover conservation, use and occupancy of the land, in order to check their efficiency in reducing the total volume of surface runoff and the peak flow.

Os reservatórios se constituem numa das principais formas estabelecidas pelo homem de modificar o ciclo hidrológico ao armazenar água para sua utilização no futuro. Em algumas regiões do país este mecanismo é de fundamental importância para o atendimento das demandas consultivas, seja pelas condições adversas do clima, como é o caso do semiárido nordestino, como também em função da alta demanda de água requerida para o atendimento da irrigação, como ocorre em algumas áreas do Rio Grande do Sul. Este trabalho apresenta uma metodologia de balanço hídrico em rios e reservatórios de pequeno porte, cujo foco é o atendimento aos instrumentos da Política Nacional de Recursos Hídricos, como a outorga de direito de recursos hídricos e as políticas de planejamento. A metodologia está baseada na integração entre o modelo hidrológico chuva-vazão MGB-IPH como recurso para obtenção das séries afluentes de cada reservatório e trecho de rio do sistema hídrico. Associado ao modelo hidrológico, está a integração com os Sistemas de Informações Geográficas, que possuem a vantagem de obtenção das características físicas da bacia de forma automática, facilitando também a associação com os objetos que representam o sistema hídrico (i.e. demandas e reservatórios). O modelo de simulação realiza a contabilização do movimento de água através de um sistema de reservatórios e trechos de rio, cuja progressão de cálculo é realizada de montante para jusante. Como técnica de otimização, foi utilizado o algoritmo SCE-UA, baseado na teoria dos algoritmos evolucionários. A metodologia desenvolvida foi aplicada na Bacia do Rio Quaraí, caracterizada pelo intenso uso da água para o atendimento das demandas da irrigação, e também pelo estabelecimento de centenas de pequenas estruturas de reservação de água, destinadas ao abastecimento destas demandas. Os resultados indicaram que não há água suficiente para o atendimento das demandas da irrigação em 100% do tempo. Em média, apenas 75% do volume total de água requerido para o atendimento das demandas atuais poderia ser atendido, considerando o período simulado de 20 anos. Nos anos mais críticos pode ocorrer o esgotamento do curso principal do Quaraí e outros locais, decorrência das retiradas de água, além do efeito da reservação de água pelos açudes, pois admitiu-se a hipótese de não existirem descarregadores de fundo nessas estruturas. Como alternativas para a gestão da água na bacia, apontam-se a definição de critérios de outorga para retiradas e liberação de água em reservatórios, além de implementação de novas estruturas de reservação e regularização. / Reservoirs are the most important form established by the man to modify the hydrological cycle to store water for use in the future. In some regions of Brazil this mechanism is crucial to meet the advisory needs, either by adverse weather conditions, such as the semi-arid northeast, but also due to the high demand of water required to meet the irrigation, as occurs in some areas of Rio Grande do Sul. This work presents a methodology of water balance in rivers and small reservoirs, whose focus is to achieve the goals of the instruments of the National Water Resources Policy, as the water rights and the planning policies. The methodology is based on the integration between the hydrological rainfall-runoff model MGB-IPH as a resource for obtaining streamflow series from upstreams of each reservoir and for all sub-watershed defined on the water system. Associated with the hydrological model is the integration with Geographic Information Systems, which have the advantage of obtaining the physical characteristics of the basin automatically, it also facilitates association with objects that represent the water system (i.e. demands and reservoirs). The simulation model performs accounting for the movement of water through a system of reservoirs and river stretches whose progression calculation is performed from upstream to downstream. As optimization technique, the SCE-UA algorithm, based on the theory of evolutionary algorithms was used. The procedure was applied in the Quaraí River Basin, characterized by intense use of water to meet the irrigation demands, and also by the establishment of hundreds of small structures reservation of water, destined to supply these demands. The results indicated that there is not water enough to meet the demands of irrigation at 100% of the time. On average, only 75% of the total volume of water required to meet the current demands could be met, considering the simulated period of 20 years. In the most critical years can occur exhaustion of the main course of the Quaraí and other sites, due to withdrawals plus the effect of the reservation by dams, it admitted the hypothesis that there are no releases in this structures. As alternatives to water management in the basin, point the definition of licensing criteria for withdrawals and releases in dams, as well as implementing new reservoir with regularization structures.

Mudanças climáticas podem afetar a distribuição espacial e temporal das variáveis hidrológicas, tendo como consequências alterações nos regimes de precipitação e vazão dos rios. Aumentos ou reduções no volume de escoamento de uma bacia hidrográfica podem, por exemplo, produzir danos aos ecossistemas, afetar a produção de alimentos, abastecimento de água, navegação e geração de energia. Atualmente buscam-se relações que permitam entender os processos de mudanças climáticas a fim avaliar os impactos e mitigá-los, assim como avaliar as incertezas inerentes ao processo de modelagem hidrológica de tais mudanças. Neste contexto este trabalho apresenta uma metodologia de quantificação e análise de incertezas para estudos de mudanças climáticas, tomando como estudo de caso a bacia hidrográfica do Rio Uruguai (BHRU) com área aproximada de 110,000 Km². Para tanto três fontes de incerteza foram analisadas e comparadas: o modelo hidrológico, técnicas de remoção de viés e modelos climáticos. O modelo hidrológico MGB-IPH foi avaliado quanto ao processo de parametrização, utilizando diferentes períodos de simulação para calibração: (i) Período de calibração 1 – MGB/P1: representando a série completa de observações de 1960-1990 com verificação no período de 1992-1999; (ii) Período de calibração 2 - MGB/P2: calibração em período seco e verificação de período de cheias (iii) Período de calibração 3 – MGB/P3: calibração em período característico de cheias e verificação de período de estiagem. Três diferentes técnicas de remoção de viés foram aplicadas para analisar o grau de incerteza que a escolha de um determinado método de correção pode agregar ao resultado final: (i) RV1 - Técnica de Mapeamento Quantil-Quantil; (ii) RV2 - Técnica de Escalonamento Linear e (iii) RV3 - Técnica Delta change. Os modelos climáticos globais (GMC’s) foram analisados quanto a sua estrutura, comparando projeções de cinco diferentes modelos: MPEH5 (ECHAM5/MPIOM), GFCM21 (GFDL-CM2.1), MRCGCM (MRI-CGCM2.3.2), HADCM3 (UKMO-HadCM3) e NCCCSM (CCSM3). Adicionalmente, também foram analisadas as projeções climáticas de cinco diferentes versões do modelo climático regional (RCM) ETA/CPTEC: CT20, CT40, LOW, MID e HIGH. Inicialmente os resultados das simulações provenientes de cada uma destas fontes foram comparados de maneira isolada e em seguida de maneira combinada. Portanto, a metodologia foi dividida em Etapa (1) e Etapa (2). A Etapa (1) teve por objetivo responder a seguinte pergunta: Qual dentre as fontes de incerteza selecionadas agrega maior variação ao resultado final? Ou seja, qual destas fontes propaga maior incerteza em termos de impactos de mudanças climáticas na BHRU? Os resultados obtidos por cada uma das fontes de incerteza foram comparados em termos de anomalias de vazões médias de longo período (QMLP), máximas e mínimas anuais. Na Etapa (2) foi realizada a análise total de incerteza, ou seja, a análise combinada dos resultados obtidos na Etapa (1). As anomalias de vazões foram apresentadas utilizando as curvas de distribuição acumulada (CDF’s) e a incerteza total expressa pela diferença entre os percentis 5% e 95%. Considerando os resultados obtidos para as vazões médias de longo período (QMLP), as fontes podem ser ordenadas de forma decrescente, em relção ao grau de incerteza que propagam: modelos climáticos globais > modelos climáticos regionais > técnicas de remoção de viés > modelo hidrológico. Para as vazões extremas os RCM’s apresentam as maiores variações de anomalias se comparadas às dos modelos hidrológicos e técnicas de remoção de viés, inclusive para ambos os extremos, máximos e mínimos. Esta variação se dá principalmente, pelos resultados de LOW e MID. Estas informações podem ajudar os gestores e tomadores de decisão no adequado gerenciamento e planejamento dos recursos hídricos sob condições de mudanças climáticas, assim como o entendimento da incerteza associada. / Climate change can affect the spatial and temporal distribution of hydrological variables, with the consequences of changes in precipitation regimes and river flows. Increase or decrease the flow of rivers, for example, can cause damage to ecosystems, affecting food production, water supply, navigation and power generation. Currently seeking to relationships that allow understand climate change processes in order to assess the impacts and mitigate them, and assess the uncertainties inherent in hydrologic modeling process of such climate change. This thesis aimed at the development of a methodology for quantification and analysis of uncertainties for climate change studies in hydrology , taking as a case study the basin of the Uruguay River (BHRU) with a drainage area near 110,000 km². For that three sources of uncertainty were analyzed and compared: the hydrologic model, bias removal techniques and climate models. The hydrological model MGB-IPH was evaluated for parameterization, using different simulation periods for calibration: (i) MGB /P1: full range with calibration period (1960-1990) and validate (1992-1999); (ii) MGB / P2: calibrated in the period of dry and validated in the flood season (iii) MGB/P3: calibrated in the period of floods and validated in the dry season. Three different bias correction methods were applied to analyze the degree of uncertainty that the choice of a particular method of correction can add to the final result: (i) RV1 - Quantil-Quantil Mapping; (ii) RV2 - Linear Scaling, and (iii) RV3 - Delta Change Technique. Global climate models (GMC's) were analyzed for their structure, comparing projections of five different models: MPEH5 (ECHAM5/MPI-OM), GFCM21 (GFDLCM2.1), MRCGCM (MRI-CGCM2.3.2), HADCM3 (UKMO-HadCM3) e NCCCSM (CCSM3). Additionaly, climate projections from five different versions of the regional climate model (RCM) ETA / CPTEC were also analyzed: CT20, CT40, LOW, MID e HIGH. Initially the simulation results from each of the sources of uncertainty were compared individually (single propagation) and then in a combined way (multi propagation). Therefore, the methodology was divided in Step (1) and Step (2). Step (1) aimed to answer: Which of the selected sources of uncertainty adds more variation to the final result? Which of these sources propagates greater uncertainty in terms of impacts of climate change on BHRU? The results for each of the sources of uncertainty were compared in terms of long-term mean flow (QMLP), maximum and minimum annual flow. In Step (2) total uncertainty analysis was performed, therefore the combined analysis of the results obtained in Step (1). The anomalies in discharge were presented using the cumulative distribution function (CDF's) and the total uncertainty expressed by the difference between the percentiles 5% and 95%. Throughout the application of the proposed methodology it was concluded that: (i) for the extremes (maximum and minimum) annual discharges the largest source of uncertainty are the projections of the RCM's, followed by the the bias removal technique and finally the hydrological model; (ii) for the QMLP the largest source of uncertainty are followed global climate models, then the regional climate models. This information can help managers and decision makers in the proper management and planning of water resources under climate change conditions, as well as the understanding of the associated uncertainty.