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.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-07-04T11:51:54Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação Mestrado Ráurium versão final.pdf: 6757441 bytes, checksum: b3d2956882bd467a5f2fcb592d7f079c (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-04T11:51:54Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Dissertação Mestrado Ráurium versão final.pdf: 6757441 bytes, checksum: b3d2956882bd467a5f2fcb592d7f079c (MD5) Previous issue date: 2015-10-26 / A costa litorânea do Estado de Pernambuco no Nordeste do Brasil é dotada por várias bacias hidrográficas onde pode-se destacar a bacia do rio Pirapama, que abrange sete municípios e é constituída dos principais mananciais de abastecimento da Região Metropolitana do Recife. O presente estudo apresenta a simulação da disponibilidade hídrica da bacia do Pirapama, e propõe regras de operação para os reservatórios de abastecimento hídrico inclusos na bacia, levando-se em conta a variabilidade climática com ênfase a evitar as condições de racionamento e colapso do reservatório Pirapama frente aos eventos de seca. A partir do modelo hidrológico SMAP foi gerada a série de vazões em 7 sub-bacias da bacia do rio Pirapama abrangendo o período de 1933 a 2014. Essa série de dados foi inserida no modelo de simulação AcquaNet que permitiu elaborar a rede de fluxo representativa da bacia e simular a disponibilidade hídrica nas suas sub-bacias e reservatórios estratégicos. Embasadas em metodologias distintas, foram apresentadas duas propostas de regras de operação para o reservatório Pirapama e uma para o reservatório Sicupema. A primeira proposta, as curvas-guia, consistiu no zoneamento do volume útil do reservatório de acordo com o estado de severidade de seca, sendo os eventos de seca quantificados através do índice de escoamento padronizado SRI (Standardized Runoff Index). A segunda proposta foi a simulação das Curvas de Aversão a Risco – CAR através do AcquaNet, que possibilitou analisar o comportamento do reservatório para várias vazões de retiradas, tendo por base as afluências no biênio mais critico da série simulada. Para o reservatório Sicupema, foram realizadas simulações no AcquaNet, estabelecendo regras de operação através do volume meta. Os resultados mostraram um ajuste satisfatório na calibração e validação do modelo hidrológico, assim como, na análise comparativa dos volumes simulados e monitorados do reservatório Pirapama. O comportamento dos 82 anos simulados no reservatório Pirapama demonstrou a necessidade de se alterar as regras de operação atuais, pois o mesmo esteve por 5 anos e meio nas condições de racionamento ou colapso. As regras de operação propostas, quando aplicadas ao reservatório Pirapama, se mostraram eficientes e eficazes, eliminando o risco de colapso, e reduzindo a condição de racionamento de 39 para 4 e 7 meses, nas curvas-guia e CAR, respectivamente, constituindo numa importante ferramenta de tomada de decisão na gestão do maior sistema de abastecimento do Estado de Pernambuco. / The coastline of the state of Pernambuco in northeastern Brazil is endowed by various river basins where we can highlight the basin of the Pirapama river, covering seven cities and is responsible for most of the supply of the Metropolitan Region of Recife.This study presents the simulation of water availability of Pirapama River basin, located in the coastline of the state of Pernambuco in northeastern Brazil, and proposes operating rules for water supply reservoirs included in the basin, taking into account the variability climate with emphasis on avoiding rationing conditions and collapse of Pirapama reservoir forward to drought events. From the hydrological model was generated series of discharges in 7 sub-basins of Pirapama river basin in period from 1933 to 2014.This data set was inserted into the simulation model AcquaNet which established the network of representative outflow of the basin and simulate water availability in their sub-basins and strategic reservoirs. Based on different methodologies were presented two proposals for operating rules for Pirapama reservoir and one for Sicupema dam. The first proposal, the rules curves, consisted of the zoning of the useful volume of the reservoir according to drought severity state, and drought events quantified by Standardized Runoff Index- SRI. The second proposal was the simulation of Aversion to Risk Curves - CAR through AcquaNet, which made it possible to analyze the reservoir behavior for several withdrawals flows, based on two years of critical inflows simulated series. For Sicupema reservoir simulations were performed in AcquaNet, establishing operating rules by volume goal. The results showed a satisfactory adjustment in the calibration and validation of hydrological model, as well as the comparative analysis of the simulated volumes and monitored the Pirapama reservoir. The behavior of the simulated 82 years in Pirapama reservoir demonstrated the need to change the current operating rules, because it was for 5 years and a half in the rationing conditions or collapse. The rules of operation proposals when applied to Pirapama reservoir, were efficient and effective, eliminating the risk of collapse, and reducing 39 rationing condition for 4 and 7 months, the guide curves and CAR, respectively, constituting an important decision-making tool in managing the largest supply system of the State of Pernambuco.

The importance of monitoring studies in areas with man-made actions is related to the diagnosis of environmental impacts in water source regions, in the search of factors that show, in a simple way, the causes for degradation of multiple uses areas. In Sergipe, the presence of several Irrigated Perimeters in the riverbanks justifies the search of these changes. To this end, it was defined the study in the area of floodplains in Betume and in California’s nonirrigated area. It was performed 34 monitoring campagins from March 2013 to December 2014. It was analysed the physical-chemical parameters and turbidity rates, chlorophyll, DO, DBO and thermotolerant coliforms, both during the dry and wet periods, way more than the limits established by CONAMA/2005’s resolution, class 2. Besides the aforementioned water sources, others were attached to the study, among them: Jacaré River, Santo Antônio River, Pilões River, Papagaio River, Capivara River and Jacaré-Curituba Dam. The Water Quality Index (WQI) revealed a tendency of 54% compromising the quality of water of the Rivers mentioned before, due to the domestic effluent. On the other hand, the Trophic State Index (TSI), the compromising reached 82% of the water quality, through eutrophication of water sources. Besides, through multivariate analysis grouping type, it was demonstrated the relationship between the association of physical-chemical parameters. This association happened to Betume River with Santo Antônio River, Pilões River and São Francisco River. Similarly, during dry weather, Onça Creek with Betume's drainage; and Santo Antônio River with Pilões River, and all of them presented proximity. It can also be highlighted that the application of Factor Analysis to the variable group in the selection of three indicative aspects of water quality of the studied rivers. The Varimax rotation of factors showed that the variables of water quality are mainly related to mineral, nutritional, organic matter and degree of pollution content. Another factor was noticed regarding the handling of cultures in the irrigated perimeters which was the use of pesticides in order to control plagues, and to analyse this aspect, it was collected bimestral water, in 12 campaigns. The results detected active principles used in agricultural practices in the irrigated region, among them: chlorpyrifos, atrazine, ivermectin, cyproconazole, tetraconozole and tebuconazole. The rates presented were below the acceptable, when compared to patterns of acceptable daily ingestion (ADI) of ANVISA and EPA. However, according to European Community, the concentrations of tebuconazole and chlorpyrifos were elevated. Based on these results, it was used the SWAT model, an appropriate tool for modelling, which enables generating Scenarios to the use of these pesticides in rice-growing areas. The results demonstrated low mobility in water and the application of constant pesticide in order to fight rice blast showed a high potential of the transported Terbuconazone, when dissolved in water. The presence of chlorpyrifos occurred during rice inter-harvest, in low concentration, when compared to water movements, due to the mobility in water, and low soil retention. Thus, it was evidenced that the man-made actions referring to changes to the use of soil in hydrographical basins promote changes both in production and quality of water as well as the presence of pesticides in sediment and superficial water. These interferences in the habitat should promote public policies that manage systems of water quality monitoring applied to these regions, thus, preserving and protecting the water supply of possible contaminations of environment and inhabitants. / A importância de estudos de monitoramento em áreas com ações antrópicas, tem colaborado para diagnosticar os impactos ambientais das regiões com mananciais, buscando indicadores que demonstrem de forma simplificada as causas da degradação das áreas de usos múltiplos. Não seria diferente neste estudo, em que Sergipe possui diversos Perímetros Irrigados nas margens dos rios. Para isso, foi definido o estudo na área de várzeas inundáveis no rio Betume e sequeiro no perímetro irrigado Califórnia. Durante o período de março de 2013 a dezembro de 2014 foram realizadas 34 campanhas de monitoramento. Foram analisados os parâmetros físico-químicos e constatado valores de turbidez, clorofila-a, OD, DBO e coliformes termotolerantes, tanto no período seco como chuvoso, fora do limite estabelecido pelo CONAMA/2005, classe 2. Além dos mananciais acima estudados, outros foram anexados ao estudo, entre eles: rio Jacaré, rio Santo Antônio, rio Pilões, rio Papagaio, rio Capivara e Barragem do Jacaré-Curituba. Para Índice de Qualidade da Água (IQA), revelou uma tendência de 54% do comprometimento da qualidade da água destes rios, em virtude dos efluentes doméstico. Para o Índice Estado Trófico (IET), o comprometimento atingiu 82% para qualidade da água, através da eutrofização dos mananciais. Além disso, por meio da análise multivariada do tipo agrupamento, pode demonstrar a relação de associação entre os parâmetros físico-químicos. Esta associação ocorreu para o rio Betume com o rio Santo Antônio, rio Pilões e rio São Francisco. Da mesma forma, durante o período seco, ocorreu no riacho da Onça com Drenagem do Betume; no rio Santo Antônio com rio Pilões, em que todos apresentaram proximidades euclidiana. Vale ressaltar também, que a aplicação da Análise Fatorial ao conjunto de variáveis resultou na seleção de três fatores indicadores da qualidade da água dos rios em estudo. A rotação ortogonal Varimax dos fatores mostrou que as variáveis da qualidade da água estão relacionadas principalmente com o conteúdo mineral, nutricional, matéria orgânica e grau de poluição. Ainda sobre o manejo destas culturas nos perímetros irrigados, outro fato constatado foi o uso de agrotóxicos para controle de pragas, sendo assim, foram feitas coletas bimestrais de água, totalizando 12 campanhas. Os resultados detectaram princípios ativos utilizados nas práticas agrícolas da região dos perímetros irrigados, são eles: clorpirifós, atrazina, ivernectina, ciproconazole, tetraconozole e tebuconazole. Apresentaram valores abaixo, quando comparados com os padrões de ingestão diária aceitável (IDA) da ANVISA e EPA. Mas, de acordo com normas da Comunidade Europeia, as concentrações de tebuconazole e clorpirifós foram elevadas. Baseado nestes resultados, utilizou-se o modelo SWAT, ferramenta apropriada para modelagem e possibilita gerar Cenários para o uso destes agrotóxicos na rizicultura. Os resultados demonstraram que a baixa mobilidade na água e aplicação constante do agrotóxico no combate ao brusone apresentou um alto potencial do Terbuconazone de ser transportado quando dissolvido em água. Já a presença do Clorpifiros ocorreu na entressafra do arroz, com baixa concentração, quando comparados ao movimento na água, isto se deve a sua alta mobilidade na água e baixa retenção do solo. Portanto fica evidenciado que as ações antrópicas referentes às modificações do uso do solo nas bacias hidrográficas promovem alterações tanto na produção e qualidade da água, quanto na presença de agrotóxicos nos sedimentos e nas águas superficiais. Estas interferências no habitat devem promover políticas públicas que gerencie sistemas de monitoramento da qualidade da água aplicados nestas regiões, e assim preservar e proteger o corpo hídrico de possíveis contaminações do meio ambiente e dos habitantes.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The rational use of water resources of a river basin is essential for sustainability and socio-economic development. Proper land use and vegetation cover is directly related to the conservation of water resources and the preservation of the environment. An important tool for the representation and understanding of the hydrological behavior of a watershed is modeling. In this sense, from the quantitative monitoring of the flow, used the SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model, which is used to study the dynamics of the hydrossedimentological river basin Betume in the Lower São Francisco in the estate of Sergipe. The model uses a specialized database of the basin, consisting of geographical, soil, hydrological and climate information. Had accomplished three scenarios depending on the land use simulating the production of water and sediments. The modeling demonstrated that the dynamics of the basin is mainly based on the base flow stream. Of the three hypothetical scenarios performed, the Reforestation scenario produced the lowest water and sediment production rate, and the Agriculture scenario had the highest rates. Having noticed the changes in land use and occupation influence the water production system and sediments in the basin. Overall, it is noteworthy that the presence of native vegetation ensures the highest water availability for multiple uses of water in the region. / O uso racional dos recursos hídricos de uma bacia hidrográfica é indispensável para sua sustentabilidade e desenvolvimento socioeconômico. O uso adequado do solo e a cobertura vegetal está intimamente relacionada à conservação dos recursos hídricos como a preservação do meio ambiente. Uma importante ferramenta para a representação e compreensão do comportamento hidrológico de uma bacia é a modelagem. Nesse sentido, a partir do monitoramento quantitativo da vazão, se usou o modelo SWAT (Soil and Water Assessment Tool), com o qual se estudou a dinâmica hidrossedimentológica da bacia hidrográfica do rio Betume no Baixo São Francisco Sergipano, o modelo usa um banco de dados especializado da bacia, constituído de informações geográficas, pedológicas, hidrológicas e climáticas. Se realizaram 3 cenários em função do uso da terra simulando a produção de agua e sedimentos. A modelagem demostrou que a dinâmica da bacia se baseia principalmente no fluxo de escoamento de base. Dos 3 cenários hipotéticos realizados, o cenário Reflorestação produziu a menor taxa de produção de água e sedimentos, e o cenário Agricultura apresentou as maiores taxas. Constatando-se que as alterações no uso e ocupação da terra influenciam no regime de produção de água e sedimentos na bacia. Com tudo se ressalta que a presença de vegetação nativa garante a maior disponibilidade hídrica para os múltiplos usos da água na região.

Orientadora: Profª. Drª. Andrea de Oliveira Cardoso / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia Ambiental, Santo André, 2018. / A bacia hidrográfica do rio Paraíba do Sul está localizada na região sudeste do Brasil, entre os estados de São Paulo, Rio de Janeiro e Minas Gerais. Além da população urbana e rural existente na bacia, o rio Paraíba do Sul é utilizado para abastecimento da região metropolitana do Rio de Janeiro. O uso do solo na bacia é predominantemente de pecuária leiteira, onde o manejo inadequado do solo tem afetado a qualidade e a quantidade de água na bacia. Dada a importância socioeconômica da bacia do rio Paraíba do Sul, neste trabalho foi utilizado o modelo hidrológico distribuído MGB-IPH para avaliar a influência da vegetação de margem no comportamento hidrológico da bacia. O modelo foi calibrado e verificado para o período de 2005 a 2015 considerando a condição atual de cobertura da superfície da bacia. Uma vez calibrado o modelo, foram elaborados cenários de uso do solo considerando diferentes larguras de vegetação florestal (APP) ao longo das margens do rio Paraíba do Sul e de seus afluentes. Os cenários consideram os valores de APP correspondentes ao que deveria ser aplicados por lei (30 m, 50 m, 100 m e 200 m) e também valores de APP de 300 m a 1000 m. Os cenários foram comparados com a condição atual da bacia em termos de vazão média anual, vazão crítica, vazão máxima diária anual (VMA), e frequência de ocorrência de extremos de vazão muito alta e muito baixa. O modelo representa adequadamente o processo de transformação de chuva em vazão da bacia e os resultados dos cenários indicam redução da vazão média anual em função do aumento da APP; redução da VMA em função do aumento da APP. Para a análise de frequência de extremos, a ocorrência de vazões da categoria muito alta durante o período chuvoso da bacia (outubro a março) diminui em função do aumento da faixa de APP, enquanto que a ocorrência de eventos de vazão muito alta nos meses secos (especialmente em agosto) aumenta em função do aumento da APP. A frequência de vazões da categoria muito baixa aumenta com o aumento da APP nos meses chuvosos, enquanto que nos meses secos a frequência de vazões muito baixa diminui com o aumento da APP. / The Paraíba do Sul river basin is located in the southeast region of Brazil, accross the states of São Paulo, Rio de Janeiro and Minas Gerais. In addition to urban and rural population in the basin, Paraíba do Sul river supplies water to Rio de Janeiro metropolitan region. Land-use in the basin is predominantly dairy farming, where inadequate soil management has affected the quality and quantity of water in the basin. Due to the socioeconomic importance of the Paraíba do Sul river basin, the MGB-IPH distributed hydrological model was used to evaluate the influence of the riparian vegetation on the hydrologic behavior of the basin. The model was calibrated and verified for the period from 2005 to 2015 considering the current condition of land cover. After calibrating the model, land use scenarios were developed considering different widths of forest vegetation along the banks of the Paraíba do Sul (PPA) and its tributaries. The scenarios consider PPA values corresponding to what should be applied by law (30 m, 50 m, 100 m and 200 m) and also PPA values from 300 m to 1000 m. These scenarios were compared with the current condition of the basin in terms of annual average flow, critical flow, annual maximum daily flow (AMF), and frequency of occurrence of very high and very low flow extremes. The model represents adequately the rainfall-runnoff transformation in the basin, and scenarios results indicate a reduction in the average annual flow rate due to the increase of the PPA; reduction of AMF due to the increase in PPA. Extreme frequency analysis indicates that occurrence of very high flow rates during the rainy period of the basin (October to March) decreases due to increase in PPA, while the occurrence of very high flow events in the dry months (especially in August) increases as the PPA increases. The frequency of very low flow category in rainy months increases with PPA, whereas in the dry months very low flow frequency decreases with PPA increase.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:01:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissertacao claudio r da silva 2009.pdf: 998225 bytes, checksum: a40670e10535eb078839ce755dc77895 (MD5) Previous issue date: 2009-08-28 / This study presents the results of the analysis of the effect of the spatial scale in the hydrologic modeling. Nine watersheds were delimited in three different spatial scales: small (Capão da Onça River Basin), middle (Areias River Basin) and large (Corrente River Basin). The physiographic characteristics, area, length of the main river and slope of the river were obtained from digital cartographic maps in the three available scales for Goiás, 1:1.000.000, 1:250.000 and 1:100.000, using tools of Geographic Information Systems. The physical data of the basins were used as input in the hydrologic model - HEC HMS version 3.3 - developed by Hydrologic Engineering Center of the U.S. Army Corps of Engineers, projected to simulate the precipitation-runoff process in a watershed. After the simulation procedures and calibration of the model, the study shows that data obtained from different cartographic scales little influence the final result of the modeling in the three analyzed spatial scales. It was also evidenced that the modeling presented better results in the middle scale with a better adjustment between the observed and calculated hydrographs. / Este estudo apresenta os resultados da análise do efeito da escala espacial na modelagem hidrológica. Para isto foram delimitadas bacias hidrográficas em três diferentes escalas espaciais: pequena (Bacia do Córrego Capão da Onça), média (Bacia do Rio Areias) e grande (Bacia do Rio Corrente), em Goiás e no Distrito Federal. As características fisiográficas, área, comprimento do rio principal e desnível do rio foram obtidas a partir de bases cartográficas digitais nas três escalas disponíveis, 1:1.000.000, 1:250.000 e 1:100.000, utilizando-se ferramentas de Sistemas de Informações Geográficas. Os dados físicos das bacias foram utilizados como dados de entrada no modelo hidrológico HEC HMS versão 3.3 - desenvolvido pelo Hydrologic Engineering Center of the U.S. Army Corps of Engineers, projetado para simular o processo chuva-vazão em bacias hidrográficas. Após os procedimentos de simulação e de calibração do modelo, o estudo mostra que dados obtidos a partir de diferentes escalas cartográficas pouco influenciam o resultado final da modelagem nas três escalas espaciais analisadas. Foi evidenciado, também, que a modelagem apresentou melhores resultados na média escala com um melhor ajuste entre as hidrógrafas observadas e calculadas

Submitted by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2015-10-23T11:41:58Z No. of bitstreams: 2 Dissertação -Tatiane Souza Rodrigues Pereira - 2015.pdf: 12338914 bytes, checksum: c966794ae558bcc73711fb5a806a52dd (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Approved for entry into archive by Luciana Ferreira (lucgeral@gmail.com) on 2015-10-23T11:45:02Z (GMT) No. of bitstreams: 2 Dissertação -Tatiane Souza Rodrigues Pereira - 2015.pdf: 12338914 bytes, checksum: c966794ae558bcc73711fb5a806a52dd (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-10-23T11:45:02Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertação -Tatiane Souza Rodrigues Pereira - 2015.pdf: 12338914 bytes, checksum: c966794ae558bcc73711fb5a806a52dd (MD5) license_rdf: 23148 bytes, checksum: 9da0b6dfac957114c6a7714714b86306 (MD5) Previous issue date: 2015-04-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / Financiadora de Estudos e Projetos- Finep / The impermeabilization of Brazil watersheds have generated socio-economic and environmental impacts innumerable, which has resulton a dare for public administrations. This because most of the towns do not have an efficient drainage system, this causes the water seeps quickly into water streams that are not prepared to support this new level of streamflow, mainly towards the extreme rainfall events. Thus, the hydrological modeling appears like an important support tool for planning and management. However this tool is subject to limitations that must be ascertained through calibration and model validation in real field conditions. This calibration process has been the focus of research and discussion in the last 50 years, and the most currently accepted models are based on uncertainty those analysis to determine the parameters. This study aims at the assessthe development and calibration of the model rainfall-runoff UFGModel1.1 as well as analyze the uncertainty applied to the simulation of streamflow. For this purpose, we used methodologies of uncertainty analysis by means of the Monte Carlo methods (MC) and Markov Chain Monte Carlo (MCMC), which form the basis of the GLUE and DREAM algorithms, respectively, for estimating uncertainties.The results demonstrate that DREAM performs better than the calibrating the GLUE. The various sets of parameters found for both algorithms were considered great for model validation, enabling high efficiency of this precipitation events for medium at very strong with relatively narrow uncertainty limits for DREAM and great for GLUE. The parameter that showed lower sensitivity in the model was the Manning channel. / A impermeabilização das bacias hidrográficas brasileiras têm gerado inúmeros impactos sócio-econômicos-ambientais, o que tem resultado em um desafio para as gestõespúblicas. Isso porque, a maioria das cidades não possuem um sistema de drenagem eficiente, assim a água escoa rapidamente para dentro cursos d’água que nãoestão preparados para suportar esse novo patamar de vazões, principalmente frente a eventos de chuva extremos. Dessa forma, a modelagem hidrológica aparece como uma importante ferramenta de suporte ao planejamento e gestão. No entanto, tal ferramenta está sujeita a limitações que devem ser averiguadas por meio de calibração e validação do modelo em condições reais de campo. Este processo de calibração tem sido foco de pesquisa e discussão nos últimos 50 anos, sendo que atualmente os modelos mais aceitos são os que empregam análise de incerteza na determinação dos parâmetros. Este estudo, visa avaliar o desenvolvimento e calibração do modelo de precipitação-vazão UFGModel1.1, bem como analisar a incerteza aplicada na simulação das vazões. Para tanto, utilizou-se metodologias de análise de incerteza por meio dos métodos de Monte Carlo (MC) e Cadeia de MarkovMonte Carlo (MCMC),que formam as bases dos algoritmos GLUE e DREAM, respectivamente, paraestimação de incertezas. Os resultados demonstram que o DREAM realiza uma melhor calibração que o GLUE. Osvários conjuntos de parâmetrosencontrados, para ambos algoritmos, foram considerados ótimos para a validação do modelo, possibilitando alta eficiência deste para eventosde precipitação de médio à fortes com limites de incerteza relativamente estreitos para o DREAM e grandes para o GLUE.O parâmetro que apresentou menor sensibilidade no modelo foi o Manning do canal.

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