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

Submitted by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2017-03-23T19:24:33Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertação Cristian Veber .pdf: 4396179 bytes, checksum: e16ff0b1e5568507720a03591574c162 (MD5) / Approved for entry into archive by Aline Batista (alinehb.ufpel@gmail.com) on 2017-03-23T19:24:55Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertação Cristian Veber .pdf: 4396179 bytes, checksum: e16ff0b1e5568507720a03591574c162 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-03-23T19:25:05Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Dissertação Cristian Veber .pdf: 4396179 bytes, checksum: e16ff0b1e5568507720a03591574c162 (MD5) Previous issue date: 2016-10-07 / Alterações no meio ambiente e os efeitos naturais e antropogênicos resultantes têm chamado a atenção na comunidade científica em virtude do alto impacto sobre os ecossistemas, especialmente ligado a desastres naturais originados a partir de eventos extremos de precipitação. Uma das técnicas fundamentais, no que se refere ao gerenciamento dos recursos hídricos, do meio ambiente e, consequentemente, do manejo adequado de bacias hidrográficas, é a modelagem hidrológica. Contudo, uma das principais limitações de sua aplicação é a carência de dados hidrológicos, especialmente de vazões. Esta limitação tem estimulado o desenvolvimento e a calibração de modelos hidrológicos que possibilitam a estimativa do escoamento superficial direto (ESD). Neste sentido, as teorias do Hidrograma Unitário (HU) e do Hidrograma Unitário Instantâneo (HUI) têm se destacado no tocante à modelagem hidrológica de cheias. O principal objetivo deste trabalho foi avaliar a aplicabilidade de modelos conceituais (HUI de Clark – HUIC e HUI de Nash – HUIN), modelos sintéticos (HU Adimensional – HUA e HU Triangular - HUT) e modelos geomorfológicos (HUI Geomorfológico de Clark – HUIGC e HUI Geomorfológico de Nash – HUIGN) visando à estimativa de vazões de pico e de hidrogramas de ESD, tomando como base duas pequenas bacias hidrográficas experimentais (sanga Ellert – BHSE e ribeirão Lavrinha – BHRL), com características geomorfoclimáticas e comportamento hidrológico contrastantes. As informações básicas para este estudo foram obtidas a partir dos modelos digitais de elevação e de dados monitorados de chuva e vazão nas referidas bacias. As principais conclusões deste trabalho foram: a) Os modelos HUIC e HUIN foram os que tiveram melhor acurácia nas duas bacias hidrográficas; b) Os modelos HUA e HUT não foram adequados para a BHRL, mas estimaram de forma satisfatória a maioria dos eventos na BHSE; c) O HUIGC se sobressaiu em relação ao HUIGN para a BHSE, mas teve comportamento similar ao HUT e HUA; d) O HUIGN teve desempenho superior ao HUIGC, HUT e HUA para a BHRL. / Alterations in the environment and the resulting natural and anthropogenic effects have attracted attention in the scientific community due to the high impact on ecosystems, especially related to natural disasters originated from extreme precipitation events. Hydrological modeling is one of the main techniques used for the management of water resources, environment and watersheds. However, one of the major limitations of its application is the lack of hydrological data, primarily associated with stream flow. This limitation has stimulated the development and calibration of hydrological models intended for estimation of direct surface runoff (DSR). In this context, the theories of Unit Hydrograph (UH) and Instantaneous Unit Hydrograph (IUH) have stood out for the hydrological modeling of floods. The main objective of this study was to evaluate the applicability of conceptual models (Clark’s IUH - CIUH and Nash’s IUH - NIUH), synthetic models (Dimensionless UH - DUH and Triangular UH - TUH) and geomorphological models (Clark’s Geomorphological IUH - CGIUH and Nash’s Geomorphological IUH -NGIUH) for estimation of peak stream flows and DSR hydrographs, taking as reference two small experimental watersheds (Ellert Creek Watershed - ECW and Lavrinha Creek Watershed - LCW), which have contrasting geomorphoclimatic characteristics and hydrological behavior. The basic information for this study were obtained from digital elevation models and monitorated data (rainfall and stream flow) in these watersheds. The main conclusions of this study were: a) CIUH and NIUH models were those that resulted in the greatest accuracy for both watersheds; b) DUH and TUH models were not suitable for LCW, but estimated hydrographs satisfactorily for most of the events in ECW; c) CGIUH out performed NGIUH for ECW, but presented behavior similar to TUH and DUH; d) NGIUH had performance better than CGIUH, TUH and DUH for LCW.

Esta pesquisa tem como finalidade discutir os impactos da variabilidade espacial e temporal de precipitações intensas nas vazões de cursos d\'água em bacias urbanizadas mediante a análise de dados históricos da pluviometria obtidos durante eventos críticos. A bacia hidrográfica do rio Tietê, em sua porção mais urbanizada, é a área objeto deste estudo. Após uma revisão sobre o tema na literatura específica, foram desenvolvidas chuvas de projeto com os padrões observados e com padrões teóricos, frequentemente utilizados na geração das tormentas sintéticas. O volume total precipitado foi associado ao período de retorno (TR) de 100 anos, a partir da análise estatística de chuvas pontuais e pela aplicação de fatores de redução de área (FRA) observados na área em estudo e de outras regiões, que vêm sendo utilizados em projetos de drenagem, sem qualquer estudo de validação; o intuito foi o de demonstrar a importância da definição de FRA específicos, a fim de evitar superdimensionamentos e otimizar as soluções. As chuvas de projeto foram aplicadas num modelo matemático de transformação chuva-vazão, devidamente calibrado, para obtenção das vazões de projeto resultantes no limite de jusante da bacia hidrográfica, frente aos diferentes padrões de solicitações hidrológicas. Para auxiliar a calibração do modelo estavam disponíveis dados dos postos telemétricos do Sistema de Alerta a Inundações de São Paulo - SAISP, curvas-chave e, para melhor representação dos eventos de precipitação observados, pode-se contar com as imagens do radar de Ponte Nova, em complementação às informações da rede de superfície. A comparação dos resultados obtidos no modelo hidrológico mostrou que os efeitos dos parâmetros variáveis (volume, distribuição espacial e temporal) são expressivos na composição dos hidrogramas de projeto. Dos testes realizados, identificaram-se as situações mais e menos críticas para a bacia, em termos de distribuição espacial e temporal e duração da chuva de projeto, além de estabelecer as diferenças no dimensionamento do sistema de drenagem pela adoção de FRA específico. Concluiu-se que, pela metodologia proposta, é possível chegar a vazões máximas de projeto apenas pela simulação de tormentas sintéticas, com diferenças de 10% a 20% das tormentas observadas maximizadas. Há, no entanto, a necessidade de realização de estudos adicionais, tanto para definição dos valores de FRA específicos, quanto de simulação de quantidade maior de padrões críticos observados, para a aplicação prática das indicações desse estudo com maior confiabilidade. / This research aims to discuss the impact of the spatial and temporal variability of heavy rainfall in the river flows in urbanized catchments by the historical rainfall data analysis obtained during critical events. The Tiete River catchment, in its most urbanized portion, is the subject of study of this research. After a review of the subject in the specific literature, design rainfall was developed along with the observed and theoretical patterns, often used in the generation of synthetic storms. The total volume precipitated was associated with the 100 years return period (RP), from the statistical analysis of point rainfall and for the application of areal reduction factors (ARF) observed in the study area and in other regions, which have been used in drainage projects without any validation study; the intention was to demonstrate the importance of the definition of specific ARF, in order to avoid oversizing and optimizing solutions. The design precipitation was applied on rainfall-runoff mathematical model, properly calibrated, so as to obtain the resulting design flow at the downstream boundary of the catchment, facing the different patterns of hydrological solicitations. In order to assist the calibration of the model, available data has been used from telemetric stations of the Sistema de Alerta a Inundações de São Paulo (São Paulo Flooding Alert System) - SAISP, discharge curves, and for better representation of the observed precipitation events, can be counted on the images taken from the Ponte Nova radar, as a complement to the information from the surface network. The comparison of the results of the hydrological model has shown that the effects of the variable parameters (volume, spatial and temporal distributions) are significant in the composition of the design hydrograph. Out of the performed tests, the most and the least critical situations were identified concerning the catchment in terms of both spatial and temporal distribution as well as the duration of the design storm. Also, the differences in the dimensions of the of the drainage system design were established by the adoption of specific ARF. Thus, it has been concluded, according to the proposed methodology, that it is possible to reach maximum design flow just by simulating synthetic storms, with differences ranging from 10% to 20% of the observed storms maximized. However, there is a need for additional studies, either to set up setting specific values of ARF or to simulate a larger quantity of critical patterns observed, in order to apply the indications of this study with higher reliability.

A comprehensive assessment of water security incorporates a range of water-related concepts, since water policy issues to specific technical aspects of hydrological conditions and their interactions with societal needs and ecosystem functioning. This doctoral thesis is organized into three chapters that address such range of water security-related topics, aiming to establish a conceptual baseline and propose deterministic and stochastic accounting frameworks for a river basin water security evaluation. Specific assumptions and research questions are defined in each chapter, and are related to the management of \'Cantareira water supply system\' (located in Southeastern Brazil), focusing on different scales and on its political and hydrological aspects as well. The first chapter acts as a conceptual baseline for water security assessment, by examining general aspects of the Brazilian water policy and water allocation system. This study contrasts Brazilian and American water management systems applied to water transfer projects, discussing experiences from the \'Cantareira system\' and Colorado river basin. A deterministic accounting framework is presented in the second chapter, which is based on management of blue and green water kinds (defined in accordance with hydrological processes and storage types), and demonstrates how a quantitative analysis of provisioning and use (abstraction and consumption) of both water kinds can be conducted. An agricultural basin (291 km²) within the Cantareira water supply system (located upstream of the Cachoeira reservoir) was used to illustrate this approach. The impact of blue and green water use on median water resources conditions is accounted by the scarcity indicator, while the vulnerability indicator considers the probability of low availability of water resources. In the third chapter quantifies and discusses the impacts of uncertainties on water security indicators (proposed in the chapter 2), based on a multi-model and resampling framework, that considers several uncertainty sources including those related to: i) observed streamflow data; ii) hydrological model structure; iii) residual analysis; iv) Environmental Flow Requirement methods; v) the definition of critical conditions for water provision; and vi) the critical demand imposed by human activities. Then, the uncertainty is propagated through different methodological arrangements applied to the same study basin of chapter 2. In brief, the first chapter indicates that both Brazilian and American water management system can potentially contribute to each other. In the second chapter, the Blue/Green water-based accounting framework reveal clear spatial and temporal patterns of water scarcity and vulnerability levels within the basin, thereby improving our understanding of how and where water-related threats to human and aquatic ecosystem security can arise (so called hot-spots). The third chapter provide a general method that can form basis for meaningful support to end-users facing water resource challenges by enabling them to incorporate a viable uncertainty analysis into a robust decision making process. Further investigation are proposed in each research step of this doctoral thesis. / A avaliação da segurança hídrica pode incorporar vários conceitos relacionados à água, desde aspectos da política de recursos hídricos até questões hidrológicas específicas e suas interações com a sociedade e ecossistemas. Esta tese de doutorado busca estabelecer uma base conceitual e propor esquemas metodológicos com base determinística e estocástica para avaliação da segurança hídrica de bacias hidrográficas. Objetivos específicos são definidos em cada capítulo e relacionam-se à gestão do \'Sistema Cantareira de abastecimento de água\' (localizado no Sudeste do Brasil), com foco em diferentes escalas, bem como aspectos políticos e hidrológicos. O primeiro capítulo é apresentado como baseline conceitual, examinando aspectos gerais da política de recursos hídricos e sistemas alocação de água. Este estudo compara sistemas de gestão aplicados a projetos de transposição de água inter/intra-bacias no Brasil e Estados Unidos, discutindo experiências do Sistema Cantareira e da bacia do rio Colorado. O segundo capítulo, por sua vez, propõe e analisa um esquema metodológico determinístico baseado na gestão das águas azul e verde (definidas de acordo com processos hidrológicos e unidades de armazenamento). Este estudo demonstra como uma análise quantitativa da provisão e utilização de ambos os tipos de água pode ser conduzida, propondo indicadores de escassez e vulnerabilidade hídrica. Esta abordagem foi aplicada em uma bacia agrícola (291 km²), localizada a montante do reservatório Cachoeira, que é integrante do Sistema Cantareira. O terceiro capítulo quantifica e analisa os impactos das incertezas sobre os indicadores de segurança hídrica propostos no capítulo 2, utilizando um esquema metodológico estocástico baseado em múltiplos modelos e reamostragem, que incorpora variadas fontes de incerteza, tais como: i) dados observados de vazão; ii) estrutura do modelo hidrológico; iii) análise de resíduos do modelo hidrológico; iv) estimativa de vazão ambiental; v) definição de condições críticas de provisão e vi) demanda hídrica. Em seguida, as incertezas são propagadas através de diferentes arranjos metodológicos aplicados na mesma bacia estudo do capítulo 2. Em conclusão, o primeiro capítulo sugere uma potencial troca de contribuições provenientes de ambos os sistemas de gestão brasileiro e americano. O segundo capítulo revela padrões espaciais e temporais dos resultados dos indicadores de escassez e vulnerabilidade, melhorando assim a compreensão de como e onde ameaças à segurança hídrica podem surgir. Por sua vez, a análise de incertezas desenvolvida no terceiro capítulo é capaz de gerar suporte a gestores de recursos hídricos e processo de tomada de decisões robustas. Recomendações específicas são geradas em cada capítulo da presente tese de doutorado.

Floods are one of the most devastating types of worldwide disasters in terms of human, economic, and social losses. If authoritative data is scarce, or unavailable for some periods, other sources of information are required to improve streamflow estimation and early flood warnings. Georeferenced social media messages are increasingly being regarded as an alternative source of information for coping with flood risks. However, existing studies have mostly concentrated on the links between geo-social media activity and flooded areas. This thesis aims to show a novel methodology that shows a way to close the research gap regarding the use of social networks as a proxy for precipitation-runoff and flood forecast estimates. To address this, it is proposed to use a transformation function that creates a proxy variable for rainfall by analysing messages from geo-social media and precipitation measurements from authoritative sources, which are then incorporated into a hydrological model for the flow estimation. Then the proxy and authoritative rainfall data are merged to be used in a data assimilation scheme using the Ensemble Kalman Filter (EnKF). It is found that the combined use of authoritative rainfall values with the social media proxy variable as input to the Probability Distributed Model (PDM), improves flow simulations for flood monitoring. In addition, it is found that when these models are made under a scheme of fusion-assimilation of data, the results improve even more, becoming a tool that can help in the monitoring of \"ungauged\" or \"poorly gauged\" catchments. The main contribution of this thesis is the creation of a completely original source of rain monitoring, which had not been explored in the literature in a quantitative way. It also shows how the joint use of this source and data assimilation methodologies aid to detect flood events. / As inundações são um dos tipos mais devastadores de desastres em todo o mundo em termos de perdas humanas, econômicas e sociais. Se os dados oficiais forem escassos ou indisponíveis por alguns períodos, outras fontes de informação são necessárias para melhorar a estimativa de vazões e antecipar avisos de inundação. Esta tese tem como objetivo mostrar uma metodologia que mostra uma maneira de fechar a lacuna de pesquisa em relação ao uso de redes sociais como uma proxy para as estimativas de precipitação e escoamento. Para resolver isso, propõe-se usar uma função de transformação que cria uma variável proxy para a precipitação, analisando mensagens de medições geo-sociais e precipitação de fontes oficiais, que são incorporadas em um modelo hidrológico para a estimativa de fluxo. Em seguida, os dados de proxy e precipitação oficial são fusionados para serem usados em um esquema de assimilação de dados usando o Ensemble Kalman Filter (EnKF). Descobriu-se que o uso combinado de valores oficiais de precipitação com a variável proxy das mídias sociais como entrada para o modelo distribuído de probabilidade (Probability Distributed Model - PDM) melhora as simulações de fluxo para o monitoramento de inundações. A principal contribuição desta tese é a criação de uma fonte completamente original de monitoramento de chuva, que não havia sido explorada na literatura de forma quantitativa.

Visando conciliar pressões antrópicas para o desenvolvimento das atividades sócio-econômicas com a conservação dos ecossistemas, os serviços ambientais associados aos recursos hídricos são claros benefícios e índices quantitativos que podem ser tomados como parâmetros na tomada de decisões para o uso da terra. No Brasil o Código Florestal prescreve as Áreas de Preservação Permanente (APPs) ao longo das margens dos rios, em topos de morro e áreas de alta declividade como setores onde estes serviços serão potencialmente expressivos. Os efeitos da extensão da vegetação ripária podem variar conforme as características geomorfológicas e extensão da bacia, com os ainda escassos resultados de estudos indicadores da faixa segura de vegetação ripária necessária para minimizar os efeitos das vazões máximas e prover a disponibilidade hídrica em bacias hidrográficas com relevância para o abastecimento humano, como é o caso da bacia do rio Piracicaba, e em bacias de pequena escala, onde também se concentra a agricultura familiar e são as efetivas áreas de mananciais dos grandes reservatórios. O objetivo desta tese foi avaliar o impacto causado pelas APPs ripárias e de áreas íngremes (reflorestamento ripário e de áreas íngremes) no regime hidrológico da bacia do rio Piracicaba ( ~12000 km²) e na sua sub-bacia, Ribeirão das Posses (12 km²) a partir de simulações com o modelo hidrológico distribuído SWAT. A avaliação do efeito das APPs nas bacias foi realizada a partir de simulações numéricas com o modelo SWAT calibrado e validado, com referência aos regimes de vazão e evapotranspiração dos principais ecossistemas dominantes. As simulações foram compostas de cenários variando-se as faixas de extensão do reflorestamento ripário e reflorestamento das áreas íngremes em pequena escala (Ribeirão das Posses, Extrema, MG) e mesoescala (Rio Piracicaba). Os cenários com reflorestamento (ripário e áreas íngremes) reduziram o escoamento superficial em ambas as bacias e aumentaram o escoamento básico em Posses, reduzindo este em Piracicaba. Os resultados dos cenários com maior reflorestamento ripário indicaram para as bacias do Ribeirão das Posses e do Rio Piracicaba, respectivamente, uma queda de aproximadamente 24% e 4% do escoamento superficial, e no escoamento básico um aumento de 2% e redução de 2%. A redução do escoamento superficial reduziu as vazões extremas máximas em aproximadamente 13% no exutório e 28% na cabeceira do Ribeirão das Posses, enquanto no Rio Piracicaba a redução foi de aproximadamente 4% em toda a bacia. As vazões de estiagem no Ribeirão das Posses aumentaram na cabeceira e no exutório em 19 e 9%, respectivamente, enquanto no Rio Piracicaba a vazão de estiagem teve uma redução de até 2%. Os resultados sugerem que as APPs, nas formas de reflorestamento ripário e nas áreas íngremes em pequena escala, mostram uma redução do escoamento superficial e da vazão média anual, mas que em termos de serviços ambientais reflete-se favoravelmente na redução dos eventos de inundação devido à diminuição dos pulsos hidrológicos extremos, e no aumento da vazão de estiagem devido ao aumento do escoamento básico. Na mesoescala mostrou-se analogamente uma qualidade favorável de serviço ambiental nas vazões máximas, mas desfavorável na vazão de estiagem, o que, todavia, deve ser analisada em conjunção com o ajuste dos parâmetros de recarga do aquífero raso e profundo do modelo nesta escala. O estudo indica as APPs como promotoras de serviços ambientais hidrológicos dominantemente favoráveis, a contar pela possibilidade real de recomposição florestal em bacias de menores escalas, com ênfase na influência dos processos nas imediações da rede de drenagem onde habitam as populações rurais que poderiam se beneficiar dos serviços mais direta e frequentemente. / Aimed at reconciling human pressures for the development of socio-economic activities with the conservation of ecosystems, ecosystem services associated with water resources are benefits and quantitative indices that can be taken as parameters in decision-making for land use. In Brazil, its Forest Code prescribes the Permanent Preservation Areas (PPAs) along rivers banks, steep areas and areas of high slope as sectors where these services will be potentially significant. The effects of the size of riparian vegetation may vary depending on geomorphological characteristics and extension of the basin. There are few studies indicators of the safe range of riparian vegetation necessary to minimize the effects of peak flows and provide water availability in relevant river basins for water supply, like Piracicaba river basin, and in small scale watershed, which also focuses on the family farms and are also effective watershed areas of large reservoirs. The objective of this thesis was to evaluate the impact of the riparian and steep PPAs areas in the hydrological regime of the Piracicaba river basin (~ 12000 km²) and its sub-basin, Ribeirão das Posses (12 km²), in Extrema, MG, by means of numerical simulations. Evaluation of the effect of PPAs in the watersheds was carried out using the hydrological model SWAT (Soil and Water Assessement Tool) calibrated (for streamflow and evapotranspiration of the main ecosystems of the basin) and validated (for streamflow). Scenarios were composed of varying extension of riparian reforestation and afforestation of steep areas in small scale (Ribeirão das Posses) and in mesoscale (Piracicaba). The (riparian and steep area) reforestation scenarios reduced surface runoff in both watersheds and increased baseflow in Posses but reduced it in Piracicaba. The results of the annual average scenarios with greater riparian reforestation indicated a runoff decrease of 24% in Ribeirão das Posses and of 4% in Piracicaba. As for the baseflow, it increased by 2% and decreased by 2%, respectively in the two watersheds. The reduction of runoff reduced the maximum streamflows in the mouth in 13% and in 28% at the head of the Ribeirão das Posses. While in Piracicaba, these were reduced to approximately 4% in the entire watershed. Low flows in Posses increased the head and mouth in, respectively, 19% and 9%, while in Piracicaba drought streamflow had a modest reduction of up to 2%. The results suggest that the PPAs, in the forms of riparian and steep reforestation on a small scale, show a reduction of runoff and mean annual flow, but in terms of environmental services reflects favorably on the reduction of flood events due the reduction of extreme hydrological pulses, and the increase of low flow due to increased base flow. The mesoscale showed analogously a favorable quality in providing environmental services in peak flows, but unfavorable as to dry season flow, which however should be analyzed in conjunction with adjusting the parameters of the model of low and deep aquifer recharge at this scale. The study suggest the PPAs as promoters of environmental hydrological services dominantly favorable, emphasizing the benefits of reforestation in smaller scale watersheds, influencing processes nearby the drainage area, where rural populations could be benefited from services more directly and frequently.

Floods are one of the most devastating types of worldwide disasters in terms of human, economic, and social losses. If authoritative data is scarce, or unavailable for some periods, other sources of information are required to improve streamflow estimation and early flood warnings. Georeferenced social media messages are increasingly being regarded as an alternative source of information for coping with flood risks. However, existing studies have mostly concentrated on the links between geo-social media activity and flooded areas. This thesis aims to show a novel methodology that shows a way to close the research gap regarding the use of social networks as a proxy for precipitation-runoff and flood forecast estimates. To address this, it is proposed to use a transformation function that creates a proxy variable for rainfall by analysing messages from geo-social media and precipitation measurements from authoritative sources, which are then incorporated into a hydrological model for the flow estimation. Then the proxy and authoritative rainfall data are merged to be used in a data assimilation scheme using the Ensemble Kalman Filter (EnKF). It is found that the combined use of authoritative rainfall values with the social media proxy variable as input to the Probability Distributed Model (PDM), improves flow simulations for flood monitoring. In addition, it is found that when these models are made under a scheme of fusion-assimilation of data, the results improve even more, becoming a tool that can help in the monitoring of \"ungauged\" or \"poorly gauged\" catchments. The main contribution of this thesis is the creation of a completely original source of rain monitoring, which had not been explored in the literature in a quantitative way. It also shows how the joint use of this source and data assimilation methodologies aid to detect flood events. / As inundações são um dos tipos mais devastadores de desastres em todo o mundo em termos de perdas humanas, econômicas e sociais. Se os dados oficiais forem escassos ou indisponíveis por alguns períodos, outras fontes de informação são necessárias para melhorar a estimativa de vazões e antecipar avisos de inundação. Esta tese tem como objetivo mostrar uma metodologia que mostra uma maneira de fechar a lacuna de pesquisa em relação ao uso de redes sociais como uma proxy para as estimativas de precipitação e escoamento. Para resolver isso, propõe-se usar uma função de transformação que cria uma variável proxy para a precipitação, analisando mensagens de medições geo-sociais e precipitação de fontes oficiais, que são incorporadas em um modelo hidrológico para a estimativa de fluxo. Em seguida, os dados de proxy e precipitação oficial são fusionados para serem usados em um esquema de assimilação de dados usando o Ensemble Kalman Filter (EnKF). Descobriu-se que o uso combinado de valores oficiais de precipitação com a variável proxy das mídias sociais como entrada para o modelo distribuído de probabilidade (Probability Distributed Model - PDM) melhora as simulações de fluxo para o monitoramento de inundações. A principal contribuição desta tese é a criação de uma fonte completamente original de monitoramento de chuva, que não havia sido explorada na literatura de forma quantitativa.

A utilização de modelos hidrossedimentológicos em grandes escalas é escassa, principalmente devido à falta de dados observados, necessários nas etapas de calibração e validação. Nesse contexto, foi realizada a simulação hidrossedimentológica com o modelo MGB-SED e avaliada a dinâmica espaço-temporal dos sedimentos em suspensão na bacia hidrográfica do rio Doce, localizada nos estados de Minas Gerais e Espírito Santo, que drena uma área de cerca de 86.715 km². Além disso, foi investigada a aplicabilidade de dados observados de concentração de sedimentos em suspensão (CSS), turbidez, sólidos suspensos totais (SST) e reflectância espectral de superfície na calibração e validação de modelos hidrossedimentológicos de grandes bacias. O modelo MGB-SED é resultante do acoplamento de um módulo de sedimentos ao modelo hidrológico de grandes bacias MGBIPH. O MGB-SED é um modelo empírico-conceitual, distribuído, discretizado em minibacias e que utiliza o conceito de Unidades de Resposta Hidrológica (URHs). Nas URHs são gerados os volumes de água e de sedimentos (calculado a partir da equação MUSLE) que serão propagados nos trechos de rio. A propagação do escoamento é feita por meio da equação de Muskingum-Cunge. O transporte de sedimentos é realizado por meio da equação de difusãoadvecção para materiais que estão em suspensão (argila e silte) e por meio da equação da continuidade dos sedimentos para a carga de fundo (areia). Foram estabelecidos quatorze experimentos para a calibração e validação do modelo MGB-SED com os dados observados. Os resultados mostraram que mesmo usando os valores padrão, o modelo MGB-SED apresentou resultados satisfatórios, com coeficiente de correlação acima de 0,50 para mais de 60% das estações de CSS, colaborando para a compreensão da dinâmica dos sedimentos na bacia. Os experimentos indicaram que os resultados podem ser melhorados ao: (i) aumentar o número sub-bacias; (ii) combinar métricas que representem a correlação, o viés e a amplitude de variação; (iii) utilizar o logaritmo da CSS ao invés da CSS diretamente; (iv) utilizar uma concentração de base; e (v) utilizar um intervalo de busca dos parâmetros calibráveis menor. A aplicação do modelo na bacia do rio Doce, da forma realizada, não permitiu representar sempre os grandes picos de CSS. A utilização do modelo permitiu identificar alguns padrões e comportamentos na bacia como o fato de que no período seco a principal fonte de sedimentos não é as encostas, mas sim os canais. A análise dos diferentes tipos de dados indica que os rios que mais contribuem com a carga de sedimentos para o rio Doce são o Caratinga, o Suaçuí Grande e o Guandu. / The use of erosion and sediment transport model at large scales is scarce, mainly due the lack of observed data, necessary in calibration and validation steps. In this context, erosion and sediment transport simulation was carried out using the MGB-SED model and the spatialtemporal dynamics of suspended sediment in the Doce river basin were evaluated. In addition, we investigated the applicability of observed suspended sediment concentration (SSC), turbidity, total suspended solid (TSS) and surface spectral reflectance in the calibration and validation of erosion and sediment transport models for large river basins. The MGB-SED model is the result of the coupling of a sediment module to the large-scale hydrological model MGB-IPH. The MGB-SED is an empirical-conceptual, distributed model that uses a catchmentbased discretization and the hydrological response units (HRU) approach. In the HRUs, volumes of water and sediments (estimated by MUSLE equation) that will be routed in river reaches are generated. Flow routing is performed using a Muskingum-Cunge equation. Sediment transport is performed using a diffusion-advection equation for materials that are suspended (silt and clay) and performed using a sediment continuity equation for bed load (sand). Fourteen experiments to calibration and validation of the MGB-SED model using the observed data were established. Results showed that even using standard values, the MGBSED model presented satisfactory results, with correlations coefficient above 0.50 for more than 60% of the CSS gauges, collaborating to understand the sediment dynamics in the basin. Experiments indicated that results can be improved by: (i) increasing the number of sub-basin; (ii) combine metrics that represent the correlation, the bias, and the amplitude variation; (iii) use the logarithm of SSC instead of SSC directly; (iv) using a background concentration; and (v) use a smaller search interval of calibrated parameters. The application of the model in Doce river basin, in the way it was done, did not allowed to always represent the large SSC peaks. The use of the model allowed to identify some patterns and behaviors in the basin such as the fact that in the dry period the main source of sediments is not slopes but channels. The analysis of the different types of data indicates that the rivers that contribute most for the Doce river sediment load are Caratinga, Suaçuí Grande and Guandu.

Submitted by Irvana Coutinho (irvana@ufpa.br) on 2012-08-30T15:39:30Z No. of bitstreams: 2 Dissertacao_AnaliseModelagemHidrometeorologica.pdf: 9271076 bytes, checksum: d5501103fcd4ad16c0e800e8c9eaf8d0 (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) / Made available in DSpace on 2012-08-30T15:39:30Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Dissertacao_AnaliseModelagemHidrometeorologica.pdf: 9271076 bytes, checksum: d5501103fcd4ad16c0e800e8c9eaf8d0 (MD5) license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Previous issue date: 2008 / ADA - Agência de Desenvolvimento da Amazônia / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Esta pesquisa objetivou desenvolver um modelo estatístico de previsão de vazão para Marabá - PA, bem como avaliar a estrutura dinâmica atmosférica associada aos extremos do regime hidrológico da bacia do rio Tocantins. O modelo hidrológico de regressão linear múltipla utilizou as séries de observações fluviométricas e pluviométricas obtidas no banco de dados da ANA. Os testes de validação do modelo estatístico com coeficiente de Nash acima de 0,9 e erro padrão de 1,5 % e 5% nos períodos de cheia e estiagem, respectivamente, permitem que as previsões de vazão em Marabá possam ser geradas com antecedência de 2 a 4 (3 a 5) dias para o período da cheia (estiagem). Através da técnica de composições considerando todos os anos com registro de vazão acima/muito acima e abaixo/muito abaixo do normal, obtidos pela metodologia dos percentis, investigaram-se as características regionais da precipitação e a estrutura dinâmica atmosférica em cada mês (Novembro a Abril). As composições dos anos com vazão acima/muito acima mostraram que a precipitação sobre a bacia foi acima do normal em todos os meses, sendo que os padrões de grande escala indicaram a configuração associada ao fenômeno La Niña no Pacífico e condições de resfriamento no Atlântico Sul; intensificação tanto do ramo ascendente zonal da célula de Walker como do ramo ascendente meridional da célula de Hadley; intensificação da Alta da Bolívia posicionada mais a leste e anomalias negativas de ROL associadas à atuação conjunta da ZCAS e ZCIT. Inversamente, as composições dos anos com vazão abaixo/muito abaixo evidenciaram a predominância de precipitação abaixo do normal em toda bacia hidrográfica, a qual se associou com as condições de aquecimento (El Niño) sobre o Pacífico, Atlântico sul aquecido, célula de Walker e Hadley com enfraquecimento dos movimentos ascendentes, posicionamento da Alta da Bolívia mais a oeste com anomalias positivas de ROL indicando inibição da atividade convectiva tropical. Adicionalmente, uma análise quantitativa dos impactos sócio-econômicos sobre os principais núcleos da cidade de Marabá revelou que aproximadamente 10 mil pessoas (5% da população) são atingidas pela cheia do rio Tocantins com custos nas operações de enchente acima de R$ 500.000,00, considerando o caso de 2005. / The objectives of the present work is to develop a statistical model to predict discharge or flow in Marabá-PA, as well assess the atmospheric dynamic structure associated with the extreme hydrological regime observed in the Tocantins river basin. The hydrological model based on multiple linear regressions uses time series derived from fluviometric and pluviometric stations which are obtained from ANA database. Validation tests of the statistical model with Nash coefficient above 0.9 and standard error of 1.5% and 5% during flood and drought periods, respectively, allow generating predictions of discharge with antecedence of 2 to 4 days (3 to 5 days) for the flood (drought) period. Through composites technique considering all years with record of above/very above discharge and below/very below discharge in Marabá, obtained from percentiles method, it was investigated the precipitation characteristics in basin scale and the dynamic aspects observed in each month (November to April). The composites of years with above/very above discharge showed that the rainfall on the basin was above normal in all months, and the large-scale patterns indicated a configuration associated with La Niña phenomenon over Pacific and cooling conditions over South Atlantic; intensification of both zonal/meridional ascending branch of the Walker/Hadley cell; intensification of the Bolivian High anomalously placed eastward and negative ROL anomalies associated with the joint occurrence of ZCAS and ZCIT. Conversely, the composites of years with below/very below discharge showed a predominance of precipitation below normal throughout basin, which was associated with the conditions of warming (El Niño) over Pacific, and also warm TSM anomalous over South Atlantic, cell of Walker and Hadley with weak upward movement, the positioning of the High Bolivia westward with positive ROL anomalies indicating inhibition of tropical convective activity. Additionally, a quantitative analysis of the socio-economic impacts in the main centers of Marabá revealed that approximately 10 thousand (5% of the population) people are affected by Tocantins river floods with costs in the flooding operations above R$ 500.000,00, considering the 2005 case.

Esta pesquisa tem como finalidade discutir os impactos da variabilidade espacial e temporal de precipitações intensas nas vazões de cursos d\'água em bacias urbanizadas mediante a análise de dados históricos da pluviometria obtidos durante eventos críticos. A bacia hidrográfica do rio Tietê, em sua porção mais urbanizada, é a área objeto deste estudo. Após uma revisão sobre o tema na literatura específica, foram desenvolvidas chuvas de projeto com os padrões observados e com padrões teóricos, frequentemente utilizados na geração das tormentas sintéticas. O volume total precipitado foi associado ao período de retorno (TR) de 100 anos, a partir da análise estatística de chuvas pontuais e pela aplicação de fatores de redução de área (FRA) observados na área em estudo e de outras regiões, que vêm sendo utilizados em projetos de drenagem, sem qualquer estudo de validação; o intuito foi o de demonstrar a importância da definição de FRA específicos, a fim de evitar superdimensionamentos e otimizar as soluções. As chuvas de projeto foram aplicadas num modelo matemático de transformação chuva-vazão, devidamente calibrado, para obtenção das vazões de projeto resultantes no limite de jusante da bacia hidrográfica, frente aos diferentes padrões de solicitações hidrológicas. Para auxiliar a calibração do modelo estavam disponíveis dados dos postos telemétricos do Sistema de Alerta a Inundações de São Paulo - SAISP, curvas-chave e, para melhor representação dos eventos de precipitação observados, pode-se contar com as imagens do radar de Ponte Nova, em complementação às informações da rede de superfície. A comparação dos resultados obtidos no modelo hidrológico mostrou que os efeitos dos parâmetros variáveis (volume, distribuição espacial e temporal) são expressivos na composição dos hidrogramas de projeto. Dos testes realizados, identificaram-se as situações mais e menos críticas para a bacia, em termos de distribuição espacial e temporal e duração da chuva de projeto, além de estabelecer as diferenças no dimensionamento do sistema de drenagem pela adoção de FRA específico. Concluiu-se que, pela metodologia proposta, é possível chegar a vazões máximas de projeto apenas pela simulação de tormentas sintéticas, com diferenças de 10% a 20% das tormentas observadas maximizadas. Há, no entanto, a necessidade de realização de estudos adicionais, tanto para definição dos valores de FRA específicos, quanto de simulação de quantidade maior de padrões críticos observados, para a aplicação prática das indicações desse estudo com maior confiabilidade. / This research aims to discuss the impact of the spatial and temporal variability of heavy rainfall in the river flows in urbanized catchments by the historical rainfall data analysis obtained during critical events. The Tiete River catchment, in its most urbanized portion, is the subject of study of this research. After a review of the subject in the specific literature, design rainfall was developed along with the observed and theoretical patterns, often used in the generation of synthetic storms. The total volume precipitated was associated with the 100 years return period (RP), from the statistical analysis of point rainfall and for the application of areal reduction factors (ARF) observed in the study area and in other regions, which have been used in drainage projects without any validation study; the intention was to demonstrate the importance of the definition of specific ARF, in order to avoid oversizing and optimizing solutions. The design precipitation was applied on rainfall-runoff mathematical model, properly calibrated, so as to obtain the resulting design flow at the downstream boundary of the catchment, facing the different patterns of hydrological solicitations. In order to assist the calibration of the model, available data has been used from telemetric stations of the Sistema de Alerta a Inundações de São Paulo (São Paulo Flooding Alert System) - SAISP, discharge curves, and for better representation of the observed precipitation events, can be counted on the images taken from the Ponte Nova radar, as a complement to the information from the surface network. The comparison of the results of the hydrological model has shown that the effects of the variable parameters (volume, spatial and temporal distributions) are significant in the composition of the design hydrograph. Out of the performed tests, the most and the least critical situations were identified concerning the catchment in terms of both spatial and temporal distribution as well as the duration of the design storm. Also, the differences in the dimensions of the of the drainage system design were established by the adoption of specific ARF. Thus, it has been concluded, according to the proposed methodology, that it is possible to reach maximum design flow just by simulating synthetic storms, with differences ranging from 10% to 20% of the observed storms maximized. However, there is a need for additional studies, either to set up setting specific values of ARF or to simulate a larger quantity of critical patterns observed, in order to apply the indications of this study with higher reliability.