A poluição de origem difusa das águas pluviais é um entre os vários impactos causados pela urbanização. No Brasil ainda não é dada a devida importância para esta forma de poluição, que pode e deveria ser combatida em conjunto com os impactos causados pelo aumento das vazões geradas pela urbanização. As bacias de detenção são usadas para controlar as vazões de pico, mas também podem ser usadas para o controle da qualidade da água através da sedimentação natural dos poluentes. Neste trabalho é desenvolvido um modelo de pré-dimensionamento de bacias de detenção para o controle da poluição difusa no Município de Porto Alegre, baseado em uma metodologia de maximização de captura de volume e em uma metodologia de cálculo da eficiência da remoção de poluentes. No desenvolvimento do modelo foram utilizadas séries históricas de precipitações ocorridas em Porto Alegre. Para aplicação do modelo são necessários dados físicos de fácil obtenção, relativos à bacia de contribuição ao reservatório de detenção, tais como coeficiente de escoamento, taxa de impermeabilização do solo ou densidade habitacional. Os resultados das simulações mostraram que o volume de detenção necessário para o controle da poluição difusa é de 157 m3/ha para um coeficiente de escoamento de 0,6, típico de áreas urbanas, variando de 36 a 225 m3/ha para coeficientes de escoamento de 0,1 e 1,0, respectivamente. O modelo proposto foi comparado com modelos aplicados em locais nos Estados Unidos com características de precipitação semelhantes, resultando em volumes de detenção compatíveis, demonstrando que, pelo menos para Porto Alegre, o critério de semelhança de precipitação implica em volumes muito semelhantes. A incorporação do modelo de pré-dimensionamento para controle da poluição difusa ao modelo atual de dimensionamento para controle de cheias do Município de Porto Alegre pode ser feita através da soma dos volumes calculados por cada um dos modelos, porém isto implica em um aumento médio de 55 % no volume total de detenção. Analisando-se bacias de detenção existentes no Município, projetadas para o controle de cheias, a incorporação de controle da poluição difusa das águas pluviais implicaria em um aumento mínimo de 50 % no volume das mesmas e, em alguns casos, de mais de 100 %.

As estimativas de chuva por meio do sensoriamento remoto são, atualmente, fonte potencialmente útil para as mais diversas aplicações hidrológicas e climatológicas, especialmente em regiões onde as medições convencionais são escassas, como a Amazônia. Neste trabalho, foram analisadas as estimativas de chuva por satélite como variáveis de entrada ao modelo hidrológico MGB-IPH (Collischonn, 2001). Este modelo simula o ciclo hidrológico através das relações físicas e conceituais de todo processo, sendo os produtos de chuva por satélite avaliados o 3B42, 3B42RT e CMORPH. A primeira área de estudo é a bacia do rio Huallaga localizada dentro do território do Peru, região caracterizada por ter uma topografia complexa e pertencente a uma das nascentes do rio Amazonas. A segunda avaliação foi feita para a bacia do rio Amazonas, sendo esta caracterizada por ter uma grande variabilidade climatológica a diferentes altitudes e regimes hidrológicos diferentes, além de uma pobre distribuição de postos pluviométricos. No caso da bacia do rio Huallaga foram realizadas comparações da chuva média estimada por satélite com observada em intervalos de tempo diário, mensal, sazonal e anual. Estes resultados mostram que os produtos 3B42 e CMORPH subestimam valores médios da bacia comparada com chuva média ponderada por pluviômetros. Na simulação da bacia do rio Huallaga se efetuaram calibrações dos parâmetros para cada fonte de chuva resultando com melhor ajuste de vazões máximas para o produto CMORPH e pior ajuste para o produto 3B42, estes ajustes melhoraram para a chuva do produto CMORPH corrigido com estações pluviométricas. Por outra parte, no caso de análises da bacia do rio Amazonas, foi calculada a chuva média anual para os três produtos de satélite (3B42, 3B42RT e CMORPH), os resultados mostraram maior chuva média a favor de CMORPH, seguido de 3B42RT e finalmente o produto 3B42. A simulação da bacia do rio Amazonas mostrou melhores coeficientes de Nash-Sutcliffe com o produto 3B42 em várias estações do Brasil. Com o produto 3B42RT mostram melhores coeficientes nas estações localizadas na rede principal do rio Amazonas, e com o produto CMORPH mostrou melhores coeficientes em algumas estações como na bacia dos rios Tapajós (Brasil) e Urubamba (Peru). / Currently, satellite rainfall estimates using remote sensing are a potential source of information for hydrological and climatological applications. It applies mainly for regions where conventional measurements are scarce such as the Amazon Basin. In this work, the satellite rainfall estimates were analyzed as input variables to the hydrological model MGBIPH (Collischonn, 2001). This model simulates the hydrological cycle through physical and conceptual relationships where products 3B42, 3B42RT and CMORPH are evaluated. The first evaluation case corresponds to the Huallaga basin located in Peru, being one of the current Amazon highlands characterized by a complex topography. The second evaluation case corresponds to the Amazon basin characterized by a great climatological variability at different altitudes, different hydrological regimes and poor distributions of raingauges. In the case of the Huallaga River basin, comparisons were made between the estimated average satellite rainfall and the observed rainfall for different intervals of time (daily, monthly, seasonal and annual). These results show that the products 3B42 and CMORPH underestimate the basin average rainfall when compared with the weighted average of raingauge measurements. During the Huallaga basin simulation, calibrations of some parameters for each rainfall data were realized. Obtaining the best and worst fitting results with the CMORPH and 3B42 products for the case of maximum discharges, respectively. This rainfall fitting improves for the CMORPH product when raingauge corrections are included. On the other hand, the annual average rainfall value was obtained for each satellite product (3B42, 3B42RT e CMORPH) for the analysis of the Amazon basin. In this calculation, the greater results for the annual average rainfall values are obtained in the following order CMORPH, 3B42RT and 3B42. Moreover, this simulation seems to yield best Nash-Sutcliffe coefficients for the 3B42 product for various Brazilian stations. For stations located in the main stream of the Amazon River the Nash-Sutcliffe coefficients obtained with the 3B42RT product are the best. The CMORPH product yield the best coefficients for the stations located in Tapajós (Brazil) and Urubamba (Peru) basin.

A gestão integrada dos recursos hídricos constitui um dos fundamentos da lei 9.433/97, que considera a unidade do ciclo hidrológico como requisito necessário ao estabelecimento de critérios de outorga de direito de uso dos recursos hídricos. No entanto, na prática do gerenciamento das alocações de água no Brasil, a interdependência entre os recursos hídricos superficiais e subterrâneos não é considerada, devido, principalmente, à falta de informações hidrogeológicas nas bacias e aos aparatos institucionais das autoridades outorgantes terem sempre sido mais voltados à gestão das águas superficiais. Além disso, o conhecimento científico nessa área ainda é escasso, especialmente quanto a estudos que abordem o uso integrado das águas na escala da bacia hidrográfica. Neste trabalho foi realizada uma análise integrada de retiradas de água superficial e subterrânea em uma bacia hidrográfica, utilizando um modelo hidrológico distribuído de simulação de processos de transformação chuva-vazão em grande escala. Diferentes cenários de usos foram simulados e, por meio deles, foram geradas curvas relacionando máximos percentuais de uso de água superficial e subterrânea com seus impactos sobre as vazões mínimas no rio, a partir das quais, se podem definir possíveis limites para outorga integrada de recursos hídricos na escala das bacias hidrográficas. O estudo de caso foi aplicado na bacia do Alto Rio Paranaíba, afluente do Rio Paraná, em Minas Gerais, e os resultados mostraram que a máxima quantidade de água subterrânea que poderia ser retirada na bacia é inferior à recarga estimada do aqüífero, para um nível de impacto sobre a vazão no rio atualmente considerado aceitável de acordo com a legislação. / Integrated water resources management is the basis for law no. 9433/97, which is known as the National Water Policy. According to that law, the whole hydrologic cycle should be taken in consideration when defining water rights. However, in Brazilian water use allocation practice, surface water and groundwater interaction is not considered due to the lack of hydrogeological information on watersheds and to the water agencies focus on surface water management. Furthermore, scientific knowledge on this subject is still scarce especially on water integrated use in the large-scale. This study aims to analyze surface water and groundwater integrated use in a basin through a rainfall-runoff distributed hydrological model. Different withdrawal scenarios were simulated and curves relating surface water and groundwater use and its impacts on river minimum flows were obtained. These curves may support withdrawal threshold definition in the macro-scale. A case study was applied in the Upper Paranaíba river basin, a tributary of Paraná river in the State of Minas Gerais. Results showed that maximum groundwater withdrawal in the basin should be less than estimated aquifer recharge.

A previsão e emissão de alertas antecipados constituem um dos principais elementos na prevenção dos impactos ocasionados por eventos de cheias. Uma das formas utilizadas para se obter uma ampliação do horizonte de previsão é através do uso da modelagem chuva-vazão associada à previsão de precipitação, tipicamente derivada de modelos meteorológicos. A precipitação, no entanto, é uma das variáveis que impõe maior dificuldade na previsão meteorológica, sendo considerada uma das principais fontes de incerteza nos resultados da previsão de cheias. A previsão por conjunto é uma técnica originalmente desenvolvida nas ciências atmosféricas e procura explorar as incertezas associadas às condições iniciais e/ou deficiências na estrutura dos modelos meteorológicos com intuito de melhorar sua previsibilidade. A partir de diferentes modelos meteorológicos ou de diferentes condições iniciais de um único modelo, são gerados um conjunto de previsões que representam possíveis trajetórias dos processos atmosféricos ao longo do horizonte de previsão. Pesquisas recentes, principalmente na Europa e Estados Unidos, têm mostrado resultados promissores do acoplamento de previsões meteorológicas por conjunto à modelos hidrológicos para realizar previsões de cheia. Essa pesquisa trata da avaliação do benefício da previsão de cheias por conjunto em curto prazo, em uma bacia de médio porte, utilizando dados e de ferramentas para previsão de vazões disponíveis em modo operacional no Brasil. Como estudo de caso foi utilizada a bacia do Rio Paraopeba (12.150km²), de clima tipicamente tropical, localizada na região sudeste do Brasil. A metodologia proposta para geração das previsões hidrológicas utilizou o modelo hidrológico MGB-IPH alimentado por um conjunto previsões de precipitação de diferentes modelos, com diferentes condições iniciais e parametrizações, dando origem a distintos cenários de previsão de vazões. Como parâmetro de referência na avaliação do desempenho das previsões por conjunto foi utilizada uma previsão hidrológica determinística única, baseada em uma previsão de precipitação obtida da combinação ótima de saídas de diversos modelos meteorológicos. As previsões foram realizadas retrospectivamente no período entre ago/2008 e mai/2011, sendo analisadas durante o período chuvoso dos anos hidrológicos (out-abr). Os resultados das previsões de cheia por conjunto foram avaliados através de uma representação determinística, considerando a média dos membros do conjunto, assim como através de uma representação probabilística, considerando todos os membros, através de medidas de desempenho específicas para esse fim. Na avaliação determinística, a média do conjunto hidrológico apresentou resultados similares aos obtido com a previsão determinística de referência, embora tenha apresentado benefício significativo em relação à maior parte dos membros do conjunto. A avaliação das previsões de cheia por conjunto, por sua vez, mostrou a existência de uma superestimativa e de um subespalhamento dos membros em relação às observações, sobretudo nos primeiros intervalos de tempo da previsão. Na comparação dos resultados das previsões de eventos do tipo dicótomos, que consideram a superação ou não de vazões limites de alerta, o 9º decil das previsões por conjunto mostrou superioridade em relação à previsão determinística de referência e mesmo a média do conjunto, sendo possível obter, na maior parte dos casos analisados, um aumento significativo na proporção de eventos corretamente previstos mantendo as taxas de alarmes falsos em níveis reduzidos. Esse benefício foi, de modo geral, maior para maiores antecedências e vazões limites, situações mais importantes num contexto de prevenção de cheias. Os resultados mostraram ainda que, em média, uma diminuição do número de membros do conjunto diminui seu desempenho nas previsões. / The forecasting and issuing of early warnings represent a key element to prevent the impacts of flood events. An alternative to extend forecasting horizon is the use of rainfall-runoff modeling coupled with precipitation forecasts derived from numerical weather prediction (NWP) models. However, NWP models have difficulty to accurately predict precipitation due to the extremely sensitivity of the initial conditions. Therefore, this variable represents one of the major sources of uncertainties in flood forecasting. A probabilistic or ensemble forecasting approach was originally developed in the atmospheric sciences and then applied to other research areas. This procedure explores the uncertainties related to initial conditions and deficiencies in the structure of NWP models intending to improve its predictability. Using different NWP models or different initial conditions of a single model, an ensemble forecast showing possible trajectories of atmospheric processes over the forecast horizon are produced. Recent studies developed in Europe and the United States have shown promising results in flood forecasting using hydrological models fed by NWP ensemble outputs. The present research assess the performance of short term ensemble flood forecasting in a medium size tropical basin, based on data and streamflow forecasting tools available in operational mode in Brazil. The Paraopeba River basin (12,150 km²), located in the upper portion of the São Francisco River basin, in Southeastern Brazil, was selected as a case study. The proposed methodology used the MGB-IPH hydrological coupled to an ensemble of precipitation forecasts generated by several models with different initial conditions and parameterizations. The results are several scenarios of streamflow forecasts. A single deterministic streamflow forecast, based on a quantitative precipitation forecast derived from the optimal combination of several outputs of NWP models, was used as a reference to assess the performance of the streamflow ensemble forecasts. The streamflow forecasts were performed between aug/2008 and may/2011 and were analyzed during the rainy seasons (austral summer). The results from the ensemble flood forecasting were assessed by deterministic and probabilistic performance measures, with the ensemble mean being used by the former, and specific assessment measure by the later. Based on the deterministic assessment, the ensemble mean showed similar results to those obtained by the deterministic reference forecast, although showing better performance over most of the ensemble members. Based on the probabilistic performance measures, however, results showed the existence of an ensemble overforecasting and underspread of the members in regard to observed values, especially during the first lead times. The results for predictions of dichotomous events, which mean exceeding or not flood warning thresholds, showed that the 9th decile of the ensemble over performed the deterministic forecast and even the ensemble mean. In most cases, it was observed an increase in the proportion of correctly forecasted events while keeping false alarm rates at low levels. This benefit was generally higher for higher flow thresholds and for longer lead times, which are the most important situations for flood mitigation. The results show, also, that, in average, a reduction in the number of ensemble members decreases the performance of ensemble flood forecasts.

A previsão hidrológica possibilita a identificação antecipada de eventos de cheia potencialmente causadores de inundação, o que é de grande importância para a atuação de entidades como a Defesa Civil. Quando se deseja estender a antecedência no tempo em relação a estes eventos, principalmente nos casos onde a bacia de interesse é relativamente rápida, torna-se necessária a incorporação de previsões quantitativas de precipitação (QPF) na modelagem hidrológica, as quais podem ser obtidas a partir de modelos numéricos de previsão do tempo. Entretanto, a falta de acurácia atribuída a estas previsões de chuva, dadas de forma determinística, vem promovendo sua substituição por sistemas de previsão meteorológica por conjunto (EPS - Ensemble Prediction Systems), cuja finalidade é a geração de possíveis estados futuros da atmosfera para considerar as incertezas associadas ao seu estado inicial e às deficiências na representação física dos modelos de previsão do tempo. Neste contexto, o presente estudo teve por objetivo avaliar uma metodologia de previsão de cheias por conjunto na bacia do Taquari-Antas/RS até a cidade de Encantado (19.000 km²), localizada na região Sul do Brasil. Para tanto, foi utilizado o modelo hidrológico MGB-IPH acoplado a diferentes sistemas de previsão, sendo eles: (i) EPS Regional ETA, de curto prazo (até 72 horas) com 5 membros de diferentes parametrizações; (ii) EPS Global ECMWF de médio prazo (até 10 dias) com 50 membros de condições iniciais perturbadas, incluindo perturbação estocástica nos parâmetros de ajuste do modelo e; (iii) Previsão Determinística do Modelo Regional ETA (até 7 dias). A avaliação das previsões consistiu em dois hindcastings distintos, envolvendo uma análise visual de eventos singulares ocorridos em 06/06/2014 e 21/07/2011 além de uma análise estatística no período de Mar/2014 - Nov/2014. Durante a análise visual foi possível identificar, a partir de antecedências de 5 a 6 dias, uma persistência na previsão dada pelo crescente número de membros do conjunto de médio prazo (ECMWF) com superação dos limiares de referência, na medida em que se aproximavam os eventos de cheia. Apesar da grande incerteza na magnitude das previsões hidrológicas para o conjunto de curto prazo, a vazão máxima foi relativamente bem prevista por pelo menos 1 membro em quase todas as antecedências, enquanto que a previsão do timing dos eventos foi considerada de boa confiabilidade. Durante a avaliação estatística foi possível notar uma falta de espalhamento nos conjuntos, com tendência de subestimativa de acordo com o aumento da antecedência. Em uma comparação com previsões determinísticas, as previsões por conjunto demonstraram maior acurácia principalmente até 72 horas de antecedência, com destaque para a maior probabilidade de detecção dos limiares de referência e manutenção de falso alarme a níveis reduzidos. Além disso, verificou-se também que a agregação de previsões efetuadas em tempo anterior naquelas atuais acarreta em ligeira ampliação do espalhamento do conjunto e maiores probabilidades de detecção dos limiares de alerta para os membros mais elevados, apesar da redução no desempenho em termos de acurácia e viés. De forma geral, as previsões por conjunto apresentam potencial para servir como uma informação complementar em sistemas de alerta contra cheias, possibilitando uma melhor preparação dos agentes envolvidos durante a ocorrência destes eventos. / Hydrological forecasting plays an important role for issuing flood warnings, allowing for anticipation and better preparation of authorities at the occurrence of such events. In order to extend lead time in a flood forecast, especially when the catchment response time is relatively fast, it may be useful to couple a hydrological model to quantitative precipitation forecasts (QPF), usually obtained directly from numerical weather prediction (NWP). However, deterministic (i.e. single) QPF are usually referred to many errors and lack of accuracy, mainly caused by uncertainties on initial state of the atmosphere and on physical representation of weather forecasting models. To address these shortcomings, it becomes necessary to take into account the uncertainties associated to rain forecasts, which can be represented by Ensemble Prediction Systems (EPS). The purpose of such systems is to provide different trajectories of the atmosphere by perturbations on its initial condition and on parameterization schemes of the models, generating an ensemble of forecasts that can be used as input to hydrological modelling (HEPS). In this context, the present study aimed to assess a methodology of ensemble flood forecasting on Taquari-Antas basin up to the city of Encantado/RS (19.000 km²), located in southern Brazil. Therefore, the hydrological model MGB-IPH was coupled to different forecasting systems: (i) Short Range EPS ETA (up to 72 hours), a regional model with 5 members of different parameterization schemes; (ii) Medium Range EPS ECMWF (up to 10 days), a global model with 50 members of perturbed initial conditions and stochastic perturbation in the model parameters; (iii) Deterministic ETA Model (up to 7 days). The forecasts were evaluated by two different hindcastings, which includes a visual assessment of singular events occurred on 2011 and 2014 and a statistical analysis for the period between Mar/2014 and Nov/2014. It was possible to identify a forecast persistence on medium-range for the selected events, by the increasing number of members exceeding the reference thresholds from lead times up to 5 - 6 days. On the short range, although large uncertainties in the magnitude of hydrological forecasts were found, the peak discharge was well forecasted - at least for a single member - in nearly all lead times, whereas the prediction of the peak timing was considered reliable. Regarding to statistical evaluation, an inadequate spread in the ensemble was observed from short- to medium-range, with a tendency of underestimation for longer lead times. In a comparison with deterministic forecasts, the ensemble forecasts showed higher accuracy especially up to 72 hours in advance, including highlights on greater probability of detection (POD) above the reference thresholds even with low false alarm rates. It also was found that the a combination of previous forecasts on the recent ones leads to a slight increase of ensemble spread and POD for higher members, despite the performance reduction in terms of accuracy and bias. In summary, the hydrological ensemble forecasts demonstrated a good potential to serve as an additional information within a Flood Alert System.

A gestão integrada dos recursos hídricos constitui um dos fundamentos da lei 9.433/97, que considera a unidade do ciclo hidrológico como requisito necessário ao estabelecimento de critérios de outorga de direito de uso dos recursos hídricos. No entanto, na prática do gerenciamento das alocações de água no Brasil, a interdependência entre os recursos hídricos superficiais e subterrâneos não é considerada, devido, principalmente, à falta de informações hidrogeológicas nas bacias e aos aparatos institucionais das autoridades outorgantes terem sempre sido mais voltados à gestão das águas superficiais. Além disso, o conhecimento científico nessa área ainda é escasso, especialmente quanto a estudos que abordem o uso integrado das águas na escala da bacia hidrográfica. Neste trabalho foi realizada uma análise integrada de retiradas de água superficial e subterrânea em uma bacia hidrográfica, utilizando um modelo hidrológico distribuído de simulação de processos de transformação chuva-vazão em grande escala. Diferentes cenários de usos foram simulados e, por meio deles, foram geradas curvas relacionando máximos percentuais de uso de água superficial e subterrânea com seus impactos sobre as vazões mínimas no rio, a partir das quais, se podem definir possíveis limites para outorga integrada de recursos hídricos na escala das bacias hidrográficas. O estudo de caso foi aplicado na bacia do Alto Rio Paranaíba, afluente do Rio Paraná, em Minas Gerais, e os resultados mostraram que a máxima quantidade de água subterrânea que poderia ser retirada na bacia é inferior à recarga estimada do aqüífero, para um nível de impacto sobre a vazão no rio atualmente considerado aceitável de acordo com a legislação. / Integrated water resources management is the basis for law no. 9433/97, which is known as the National Water Policy. According to that law, the whole hydrologic cycle should be taken in consideration when defining water rights. However, in Brazilian water use allocation practice, surface water and groundwater interaction is not considered due to the lack of hydrogeological information on watersheds and to the water agencies focus on surface water management. Furthermore, scientific knowledge on this subject is still scarce especially on water integrated use in the large-scale. This study aims to analyze surface water and groundwater integrated use in a basin through a rainfall-runoff distributed hydrological model. Different withdrawal scenarios were simulated and curves relating surface water and groundwater use and its impacts on river minimum flows were obtained. These curves may support withdrawal threshold definition in the macro-scale. A case study was applied in the Upper Paranaíba river basin, a tributary of Paraná river in the State of Minas Gerais. Results showed that maximum groundwater withdrawal in the basin should be less than estimated aquifer recharge.

A previsão e emissão de alertas antecipados constituem um dos principais elementos na prevenção dos impactos ocasionados por eventos de cheias. Uma das formas utilizadas para se obter uma ampliação do horizonte de previsão é através do uso da modelagem chuva-vazão associada à previsão de precipitação, tipicamente derivada de modelos meteorológicos. A precipitação, no entanto, é uma das variáveis que impõe maior dificuldade na previsão meteorológica, sendo considerada uma das principais fontes de incerteza nos resultados da previsão de cheias. A previsão por conjunto é uma técnica originalmente desenvolvida nas ciências atmosféricas e procura explorar as incertezas associadas às condições iniciais e/ou deficiências na estrutura dos modelos meteorológicos com intuito de melhorar sua previsibilidade. A partir de diferentes modelos meteorológicos ou de diferentes condições iniciais de um único modelo, são gerados um conjunto de previsões que representam possíveis trajetórias dos processos atmosféricos ao longo do horizonte de previsão. Pesquisas recentes, principalmente na Europa e Estados Unidos, têm mostrado resultados promissores do acoplamento de previsões meteorológicas por conjunto à modelos hidrológicos para realizar previsões de cheia. Essa pesquisa trata da avaliação do benefício da previsão de cheias por conjunto em curto prazo, em uma bacia de médio porte, utilizando dados e de ferramentas para previsão de vazões disponíveis em modo operacional no Brasil. Como estudo de caso foi utilizada a bacia do Rio Paraopeba (12.150km²), de clima tipicamente tropical, localizada na região sudeste do Brasil. A metodologia proposta para geração das previsões hidrológicas utilizou o modelo hidrológico MGB-IPH alimentado por um conjunto previsões de precipitação de diferentes modelos, com diferentes condições iniciais e parametrizações, dando origem a distintos cenários de previsão de vazões. Como parâmetro de referência na avaliação do desempenho das previsões por conjunto foi utilizada uma previsão hidrológica determinística única, baseada em uma previsão de precipitação obtida da combinação ótima de saídas de diversos modelos meteorológicos. As previsões foram realizadas retrospectivamente no período entre ago/2008 e mai/2011, sendo analisadas durante o período chuvoso dos anos hidrológicos (out-abr). Os resultados das previsões de cheia por conjunto foram avaliados através de uma representação determinística, considerando a média dos membros do conjunto, assim como através de uma representação probabilística, considerando todos os membros, através de medidas de desempenho específicas para esse fim. Na avaliação determinística, a média do conjunto hidrológico apresentou resultados similares aos obtido com a previsão determinística de referência, embora tenha apresentado benefício significativo em relação à maior parte dos membros do conjunto. A avaliação das previsões de cheia por conjunto, por sua vez, mostrou a existência de uma superestimativa e de um subespalhamento dos membros em relação às observações, sobretudo nos primeiros intervalos de tempo da previsão. Na comparação dos resultados das previsões de eventos do tipo dicótomos, que consideram a superação ou não de vazões limites de alerta, o 9º decil das previsões por conjunto mostrou superioridade em relação à previsão determinística de referência e mesmo a média do conjunto, sendo possível obter, na maior parte dos casos analisados, um aumento significativo na proporção de eventos corretamente previstos mantendo as taxas de alarmes falsos em níveis reduzidos. Esse benefício foi, de modo geral, maior para maiores antecedências e vazões limites, situações mais importantes num contexto de prevenção de cheias. Os resultados mostraram ainda que, em média, uma diminuição do número de membros do conjunto diminui seu desempenho nas previsões. / The forecasting and issuing of early warnings represent a key element to prevent the impacts of flood events. An alternative to extend forecasting horizon is the use of rainfall-runoff modeling coupled with precipitation forecasts derived from numerical weather prediction (NWP) models. However, NWP models have difficulty to accurately predict precipitation due to the extremely sensitivity of the initial conditions. Therefore, this variable represents one of the major sources of uncertainties in flood forecasting. A probabilistic or ensemble forecasting approach was originally developed in the atmospheric sciences and then applied to other research areas. This procedure explores the uncertainties related to initial conditions and deficiencies in the structure of NWP models intending to improve its predictability. Using different NWP models or different initial conditions of a single model, an ensemble forecast showing possible trajectories of atmospheric processes over the forecast horizon are produced. Recent studies developed in Europe and the United States have shown promising results in flood forecasting using hydrological models fed by NWP ensemble outputs. The present research assess the performance of short term ensemble flood forecasting in a medium size tropical basin, based on data and streamflow forecasting tools available in operational mode in Brazil. The Paraopeba River basin (12,150 km²), located in the upper portion of the São Francisco River basin, in Southeastern Brazil, was selected as a case study. The proposed methodology used the MGB-IPH hydrological coupled to an ensemble of precipitation forecasts generated by several models with different initial conditions and parameterizations. The results are several scenarios of streamflow forecasts. A single deterministic streamflow forecast, based on a quantitative precipitation forecast derived from the optimal combination of several outputs of NWP models, was used as a reference to assess the performance of the streamflow ensemble forecasts. The streamflow forecasts were performed between aug/2008 and may/2011 and were analyzed during the rainy seasons (austral summer). The results from the ensemble flood forecasting were assessed by deterministic and probabilistic performance measures, with the ensemble mean being used by the former, and specific assessment measure by the later. Based on the deterministic assessment, the ensemble mean showed similar results to those obtained by the deterministic reference forecast, although showing better performance over most of the ensemble members. Based on the probabilistic performance measures, however, results showed the existence of an ensemble overforecasting and underspread of the members in regard to observed values, especially during the first lead times. The results for predictions of dichotomous events, which mean exceeding or not flood warning thresholds, showed that the 9th decile of the ensemble over performed the deterministic forecast and even the ensemble mean. In most cases, it was observed an increase in the proportion of correctly forecasted events while keeping false alarm rates at low levels. This benefit was generally higher for higher flow thresholds and for longer lead times, which are the most important situations for flood mitigation. The results show, also, that, in average, a reduction in the number of ensemble members decreases the performance of ensemble flood forecasts.

A poluição de origem difusa das águas pluviais é um entre os vários impactos causados pela urbanização. No Brasil ainda não é dada a devida importância para esta forma de poluição, que pode e deveria ser combatida em conjunto com os impactos causados pelo aumento das vazões geradas pela urbanização. As bacias de detenção são usadas para controlar as vazões de pico, mas também podem ser usadas para o controle da qualidade da água através da sedimentação natural dos poluentes. Neste trabalho é desenvolvido um modelo de pré-dimensionamento de bacias de detenção para o controle da poluição difusa no Município de Porto Alegre, baseado em uma metodologia de maximização de captura de volume e em uma metodologia de cálculo da eficiência da remoção de poluentes. No desenvolvimento do modelo foram utilizadas séries históricas de precipitações ocorridas em Porto Alegre. Para aplicação do modelo são necessários dados físicos de fácil obtenção, relativos à bacia de contribuição ao reservatório de detenção, tais como coeficiente de escoamento, taxa de impermeabilização do solo ou densidade habitacional. Os resultados das simulações mostraram que o volume de detenção necessário para o controle da poluição difusa é de 157 m3/ha para um coeficiente de escoamento de 0,6, típico de áreas urbanas, variando de 36 a 225 m3/ha para coeficientes de escoamento de 0,1 e 1,0, respectivamente. O modelo proposto foi comparado com modelos aplicados em locais nos Estados Unidos com características de precipitação semelhantes, resultando em volumes de detenção compatíveis, demonstrando que, pelo menos para Porto Alegre, o critério de semelhança de precipitação implica em volumes muito semelhantes. A incorporação do modelo de pré-dimensionamento para controle da poluição difusa ao modelo atual de dimensionamento para controle de cheias do Município de Porto Alegre pode ser feita através da soma dos volumes calculados por cada um dos modelos, porém isto implica em um aumento médio de 55 % no volume total de detenção. Analisando-se bacias de detenção existentes no Município, projetadas para o controle de cheias, a incorporação de controle da poluição difusa das águas pluviais implicaria em um aumento mínimo de 50 % no volume das mesmas e, em alguns casos, de mais de 100 %.

As estimativas de chuva por meio do sensoriamento remoto são, atualmente, fonte potencialmente útil para as mais diversas aplicações hidrológicas e climatológicas, especialmente em regiões onde as medições convencionais são escassas, como a Amazônia. Neste trabalho, foram analisadas as estimativas de chuva por satélite como variáveis de entrada ao modelo hidrológico MGB-IPH (Collischonn, 2001). Este modelo simula o ciclo hidrológico através das relações físicas e conceituais de todo processo, sendo os produtos de chuva por satélite avaliados o 3B42, 3B42RT e CMORPH. A primeira área de estudo é a bacia do rio Huallaga localizada dentro do território do Peru, região caracterizada por ter uma topografia complexa e pertencente a uma das nascentes do rio Amazonas. A segunda avaliação foi feita para a bacia do rio Amazonas, sendo esta caracterizada por ter uma grande variabilidade climatológica a diferentes altitudes e regimes hidrológicos diferentes, além de uma pobre distribuição de postos pluviométricos. No caso da bacia do rio Huallaga foram realizadas comparações da chuva média estimada por satélite com observada em intervalos de tempo diário, mensal, sazonal e anual. Estes resultados mostram que os produtos 3B42 e CMORPH subestimam valores médios da bacia comparada com chuva média ponderada por pluviômetros. Na simulação da bacia do rio Huallaga se efetuaram calibrações dos parâmetros para cada fonte de chuva resultando com melhor ajuste de vazões máximas para o produto CMORPH e pior ajuste para o produto 3B42, estes ajustes melhoraram para a chuva do produto CMORPH corrigido com estações pluviométricas. Por outra parte, no caso de análises da bacia do rio Amazonas, foi calculada a chuva média anual para os três produtos de satélite (3B42, 3B42RT e CMORPH), os resultados mostraram maior chuva média a favor de CMORPH, seguido de 3B42RT e finalmente o produto 3B42. A simulação da bacia do rio Amazonas mostrou melhores coeficientes de Nash-Sutcliffe com o produto 3B42 em várias estações do Brasil. Com o produto 3B42RT mostram melhores coeficientes nas estações localizadas na rede principal do rio Amazonas, e com o produto CMORPH mostrou melhores coeficientes em algumas estações como na bacia dos rios Tapajós (Brasil) e Urubamba (Peru). / Currently, satellite rainfall estimates using remote sensing are a potential source of information for hydrological and climatological applications. It applies mainly for regions where conventional measurements are scarce such as the Amazon Basin. In this work, the satellite rainfall estimates were analyzed as input variables to the hydrological model MGBIPH (Collischonn, 2001). This model simulates the hydrological cycle through physical and conceptual relationships where products 3B42, 3B42RT and CMORPH are evaluated. The first evaluation case corresponds to the Huallaga basin located in Peru, being one of the current Amazon highlands characterized by a complex topography. The second evaluation case corresponds to the Amazon basin characterized by a great climatological variability at different altitudes, different hydrological regimes and poor distributions of raingauges. In the case of the Huallaga River basin, comparisons were made between the estimated average satellite rainfall and the observed rainfall for different intervals of time (daily, monthly, seasonal and annual). These results show that the products 3B42 and CMORPH underestimate the basin average rainfall when compared with the weighted average of raingauge measurements. During the Huallaga basin simulation, calibrations of some parameters for each rainfall data were realized. Obtaining the best and worst fitting results with the CMORPH and 3B42 products for the case of maximum discharges, respectively. This rainfall fitting improves for the CMORPH product when raingauge corrections are included. On the other hand, the annual average rainfall value was obtained for each satellite product (3B42, 3B42RT e CMORPH) for the analysis of the Amazon basin. In this calculation, the greater results for the annual average rainfall values are obtained in the following order CMORPH, 3B42RT and 3B42. Moreover, this simulation seems to yield best Nash-Sutcliffe coefficients for the 3B42 product for various Brazilian stations. For stations located in the main stream of the Amazon River the Nash-Sutcliffe coefficients obtained with the 3B42RT product are the best. The CMORPH product yield the best coefficients for the stations located in Tapajós (Brazil) and Urubamba (Peru) basin.

A vegetação tropical é uma das maiores fontes de evapotranspiração e desempenha um papel importante na dinâmica climática global e nos processos de produtividade primária de ecossistemas terrestres, uma vez que se encontra diretamente ligada aos processos de transferência de massa e energia. Objetivou-se nesta tese de doutorado avaliar a acurácia das estimativas de ET baseadas em modelos de sensoriamento remoto quando comparadas a medições pontuais obtidas a partir de torres de fluxo e a partir do fechamento do balanço hídrico a médio e longo prazo. Foram selecionados dois modelos: para escalas locais e regionais usou-se o algoritmo SEBAL, enquanto que para escalas continentais e globais utilizou-se o algoritmo MOD16. Em relação ao algoritmo SEBAL, a metodologia empregada apresentou bons resultados tanto nas estimativas pontuais dos fluxos de calor latente quanto em relação ao fechamento do balanço hídrico em grandes áreas. Em relação ao algoritmo MOD16, verificou-se que as estimativas de evapotranspiração apresentam melhores resultados a longo prazo e em grandes áreas. As análises aqui realizadas sugerem que os algoritmos SEBAL e MOD16 podem capturar razoavelmente bem as respostas da vegetação em relação à variabilidade espacial e temporal em larga escala. Considerando que esses algoritmos podem ser aplicados desde escalas regionais até escalas globais, os resultados estão em um intervalo aceitável de acurácia, indicando um potencial significativo no monitoramento espacial e temporal do processo de ET de forma contínua e sistemática a partir de informações obtidas por sensoriamento remoto. / Tropical vegetation is a major source of global land surface evapotranspiration (ET) and plays an important role in the global climate dynamics and in the processes of primary production of terrestrial ecosystems, since it is directly linked to the mass transfer and energy balance. The aim of this doctoral thesis was to evaluate the accuracy of ET estimates based on remote sensing models when compared to measurements obtained from flux towers and hydrological models. Two algorithms were selected: for local and regional scales SEBAL was used, while for continental and global scales, MOD16 was adopted. Regarding SEBAL algorithm, the applied methodology showed that significant results were achieved in both latent heat flux and water balance over large areas. Concerning MOD16 algorithm, the research suggested that evapotranspiration estimates showed better results in the long-term and in large areas. The analysis suggests that MOD16 and SEBAL algorithms can capture reasonably well the responses of vegetation in relation to spatial and temporal variability on a large scale. Taking into consideration that these algorithms can be applied from regional to global scales, the results are in an acceptable range of accuracy, indicating a significant potential for monitoring evapotranspiration using remote sensing data.