A crescente produção de carga orgânica e de nutrientes em bacias hidrográficas tem levado, historicamente, rios a significativas mudanças nos padrões de qualidade da água, na diversidade e riqueza biológica e nos usos nobres de suas águas. Neste trabalho, a qualidade da água na bacia do rio Doce foi avaliada através de um modelo hidrológico integrado a um SIG, denominado SGAG (Sistema Georeferenciado de Apoio ao Gerenciamento). O sistema foi capaz de analisar o efeito de lançamentos múltiplos de efluentes na qualidade da água do rio Doce no período de estiagem. O modelo foi calibrado satisfatoriamente utilizando os dados de monitoramento ao longo do curso do rio Doce. Cenários de planejamento também foram estabelecidos, simulados e avaliados. As simulações mostraram que as medidas propostas para os cenários de planejamento promovem uma significativa redução das concentrações dos poluentes em comparação com o cenário atual, principalmente no cenário de tratamento universal. O modelo hidrológico em ambiente SIG proposto mostrou ser uma ferramenta promissora e simples para investigação da qualidade da água de bacias hidrográficas sujeitas a lançamentos pontuais de efluentes. / The increase of organic and nutrient loading in watersheds have led to significant changes in water quality patterns in rivers. In this work we evaluated the water quality of the Basin of River Doce basin through an hydrologic model integrated with GIS, called SGAG (Georeferencing Management Support System). The model was calibrated using water quality monitoring data throughout River Doce extension. Moreover planning scenarios were established, simulated and evaluated. The simulations indicated that the corrective measures in the planning scenarios promoted a significant decrease of the pollutant concentrations in comparison with the current situation. The hydrological model coupled with GIS environment have shown to be a simple and a promising tool to investigating water quality in basins subject to point sources of pollution.

A precipitação é uma das principais variáveis hidrológicas analisadas antes de ser fornecida como dado de entrada aos modelos chuva-vazão. As dificuldades para quantificar o valor da chuva, de modo a representar o evento que verdadeiramente ocorre na bacia hidrográfica, provêm principalmente da alta variabilidade espacial da precipitação, da quantidade de postos distribuídos em uma área, das falhas existentes nas séries pluviométricas (falhas nos aparelhos, no processamento dos dados e por perdas dos dados). Uma das formas de quantificar o valor da chuva em uma determinada área para uso em modelos concentrados chuva-vazão, a partir de uma rede de pluviômetros, pode ser com base na Media Aritmética ou na Mediana, que foi uma das propostas desta pesquisa. Os métodos para se obter estas estatísticas pontuais seriam mediante a utilização dos cálculos diretos aplicados nos postos presentes dentro dos limites da bacia, ou através dos valores dos nós de uma grade regular localizados no interior da bacia, com os valores destes nós estimados por interpolação de medidas pontuais posicionadas no interior e fora dos limites da bacia. Os interpoladores utilizados foram o Inverso do Quadrado da Distância, O Vizinho mais Próximo, O Vizinho Natural e a Triangulação Linear. O método de interpolação mais adequado, para as situações encontradas nas séries de precipitação, foi selecionado com o uso da Técnica da Validação Cruzada, ao qual, o método do Vizinho Natural apresentou melhor desempenho. As séries das precipitações médias e medianas diárias obtidas pelos Cálculos Diretos, e após a espacialização com o Interpolador Vizinho Natural, foram utilizadas como dados de entrada no modelo chuva-vazão concentrado conceitual IPH II, versão WIN_IPH II, em diferentes escalas de bacias hidrográficas embutidas (9426 a 19,5 Km² ). Os resultados das vazões simuladas pelo modelo, após os processos de calibração, com o uso da calibração monoobjetivo SCE-UA, evidenciaram o melhor método, Cálculos Diretos ou Interpolação, e a estatística pontual, Media ou Mediana, que foi mais adequada a partir do desempenho do modelo nas etapas de calibração e de verificação dos parâmetros resultantes. Concluiu-se que além das falhas existentes influenciarem nas chuvas médias e medianas obtidas por cálculos diretos, a mediana não é uma estatística que representa bem o volume de chuva ocorrente na bacia, pois produziu baixo desempenho no modelo e valores de parâmetros sem significado físico para bacias rurais. Observou-se uma melhora nas duas estatísticas pontuais, após o cálculo da chuva média e da mediana com base nos valores dos nós da grade regular no interior da bacia, estimados pelo interpolador Vizinho Natural. O uso das estatísticas pontuais obtidas por este método produziu bom desempenho do modelo nas etapas de calibração e de verificação. A chuva média obtida por interpolação com o Vizinho Natural foi a estatística mais representativa para a maior parte das escalas analisadas. Este trabalho também mostrou a possibilidade de se fazer à transferência de parâmetros do modelo IPH II, com o uso da melhor estatística pontual, de bacias maiores para bacias menores, com o intuito de verificar situações para obtenção de vazões em bacias menores que não possuem medições fluviométricas. / Precipitation is a key hydrological variables analyzed before being supplied as input to rainfall-runoff models. The difficulties to quantify the amount of rain in order to truly represent the event that occurs in the watershed, primarily come from the high spatial variability of precipitation, the number of stations distributed in an area of flaws in the rainfall series (faults in apparatus in data processing and for loss of data). One way to quantify the amount of rainfall in a given area for use in concentrated rainfall-runoff models, from a network of rain gauges, can be based on the arithmetic mean or median, which was one of the purposes of this research. The methods to obtain these statistics would be off by using the direct calculations applied in these posts within the limits of the basin, or through the values of the nodes of a regular grid located inside the basin, we estimated these values by interpolation offs positioned inside and outside the boundaries of the basin. The interpolators used were the Inverse Square Distance, Nearest Neighbor, The Natural Neighbor and Linear Triangulation. The interpolation method most appropriate to the situations found in the precipitation series, was selected by using the Cross Validation technique, which the Natural Neighbor method showed better performance. The series of daily precipitation means and medians obtained by direct calculations, and after the spatial interpolator with Natural Neighbor, were used as input to rainfall-runoff model focused conceptual HPI II, version WIN_IPH II, at different scales of watersheds embedded (9426 to 19.5 km ²). The results of the simulated flows by the model after the calibration procedures, calibration using the SCE-UA monoobjetivo, showed the best method, Direct calculations or interpolation, and timely statistics, mean or median, which was more appropriate to the performance stages of the model calibration and verification of resulting parameters. It was concluded that besides the existing faults influence on rainfall averages and medians obtained by direct calculations, the median is a statistic that well represents the volume of rainfall occurring in the basin, because it produced lower scores in the model and parameter values without physical meaning to rural basins. We observed an improvement in the two point statistics, after calculating the mean and median rainfall based on the values of the nodes of regular grid within the basin, estimated by the Natural Neighbor interpolation. The occasional use of statistics obtained by this method produced good performance of the model in steps of calibration and verification. The average rainfall obtained by interpolation from the Natural Neighbor was statistically more representative for most of the scales analyzed. This work also showed the possibility of making the transfer of model parameters HPI II, using the best statistical point of basins larger for smaller basins, in order to check conditions for obtaining flows in smaller basins that have no measurements gauged.

O objetivo deste trabalho foi propor uma metodologia para investigar os possíveis efeitos das mudanças climáticas na disponibilidade hídrica e as alterações da demanda hídrica no futuro, através de uma abordagem estocástica, que considera projeções climáticas, hidrológicas, populacionais e agropecuárias. O trabalho foi aplicado à bacia hidrográfica do rio Ijuí, noroeste do Rio Grande do Sul, Brasil. A metodologia foi composta por cinco módulos, envolvendo: i) a modelagem hidrológica para transformação da precipitação e evapotranspiração em vazão, utilizando Redes Neurais Artificiais (RNAs), ii) a correção e análise dos cenários climáticos para o futuro, oriundos do modelo Eta CPTEC/HadCM3, iii) a modelagem estocástica das vazões mensais no futuro, iv) a modelagem estocástica das variáveis populacionais e agropecuárias para geração de séries de demanda hídrica no futuro e, v) a simulação do balanço hídrico para geração de curvas de regularização, objetivando uma análise da relação entre a disponibilidade e a demanda hídrica no futuro. Como resultados relacionados ao processo de modelagem hidrológica, destaca-se que o modelo com RNAs mais adequado para a simulação das vazões mensais apresentou apenas três variáveis de entrada, obtendo um coeficiente de Nash-Sutcliffe igual a 0,904. Através da análise de sensibilidade, foi observado que a RNA escolhida relacionou corretamente as variáveis de entrada com a saída da rede, respeitando os princípios físicos envolvidos no sistema hidrológico. Quanto à análise dos cenários climáticos e vazões resultantes do processo de modelagem hidrológica, as diferenças entre os valores simulados com base no modelo Eta e os valores observados, no período de avaliação dos modelos (1976-1990), atingiram erros algumas vezes superiores a 20%. A vazão média de longo período, por exemplo, apresentou uma alteração de 141,6 m³/s (1961-1990) para 200,3 m³/s (2011-2040). Também foi observado um incremento na vazão média e no desvio padrão mensal entre os meses de janeiro e outubro. Entre os meses de fevereiro e junho, o percentual de aumento na vazão média mensal foi mais acentuado, superando o índice de 100%. Considerando-se os intervalos de confiança das estimativas de vazão para o futuro, pode-se concluir que existe uma tendência de aumento na variabilidade hidrológica no período entre 2011 e 2040, o que indica a possibilidade de ocorrência de séries temporais com períodos mais acentuados de estiagem e de cheias. Quanto às alterações na demanda hídrica, foi constatado que a tendência de crescimento das atividades agrícolas irrigadas no período analisado é bem superior à tendência observada em relação à criação animal e ao abastecimento humano. Mantida a tendência e os resíduos modelados entre 2003 e 2010, a média das séries estocásticas geradas para o futuro indica que haverá 1.954 km² de áreas irrigadas em 2040, fazendo com que a demanda aumente de 6,3 m³/s (2011) para 28 m³/s (2040), no mês de maior demanda hídrica (janeiro). Na etapa final, ao calcular a razão entre a demanda para usos consuntivos e a disponibilidade hídrica (demanda/disponibilidade), no período entre 2011 e 2040, foi observada uma tendência de aumento neste percentual ao longo dos anos. Em média, a relação demanda/disponibilidade em 2011 foi de apenas 6,06%, variando entre 0,81% (maio) e 20,15% (dezembro). Já em 2040 esta proporção aumentou para 13,82%, variando entre 1,09% (maio) e 43,3% (dezembro). Quanto às mudanças nas curvas de regularização obtidas através da simulação do balanço hídrico em um reservatório fictício, os resultados atestam que, em caso de confirmação do cenário de mudança climática utilizado, haverá a necessidade de reservatórios com capacidade cada vez maior para atender à demanda para usos consuntivos, em virtude do agravamento das estiagens no início do verão. / The purpose of this study was to propose a methodology to investigate the possible effects of climate change on water availability and changes in water requirement in the future, through a stochastic approach that considers climate, hydrological, agricultural and population projections. The method was applied to Ijuí river basin, northwest of Rio Grande do Sul, Brazil. The methodology consisted of five modules, involving: i) hydrological modeling of monthly flows using Artificial Neural Networks (ANNs), ii) correction and analysis of climate scenarios for the future, derived from the Eta model CPTEC / HadCM3, iii) the stochastic modeling of monthly flows in the future, iv) the stochastic modeling of population and agricultural variables to generate water requirement series in the future and, v) the simulation of the water balance for the generation of curves regularization aiming an analysis of the relationship between water availability and water requirement in the future. Regarding the results of the hydrologic modeling, it is highlighted that ANN model more suitable model for the flow simulation presented only three input variables, obtaining a Nash-Sutcliffe coefficient equal to 0.904. It was observed, through sensitivity analysis, that the ANN related correctly chosen input variables with the output of the network, respecting the physical principles involved in the hydrological system. The analysis of climate scenarios and flows resulting from the hydrologic modeling process showed that the differences between the simulated values based on the Eta model and the observed values for the period of assessment models (1976-1990), errors sometimes reached more than 20 %. Therefore, one must consider that these uncertainties will be replicated in future scenarios, as to analysis of the effects of climate change on water availability. Overall, the results related to stochastic modeling of monthly flows for the future (2011-2040) showed a tendency to increase in flows. The average flow of long period, for example, introduced an amendment to 141.6 m³ / s (1961-1990) to 200.3 m³ / s (2011-2040). We observe an increase in the average flow and monthly standard deviation between January and October. The percentage increase in the monthly average flow was more pronounced between the months of February and June, exceeding the rate of 100%. Considering the confidence intervals of the estimates of flow for the future, it can be concluded that there is an increasing trend in hydrological variability in the period between 2011 and 2040, which indicates the possibility of time series with more severe periods of drought and flood. We found an increasing trend of irrigated agricultural activities above the trend towards livestock and human consumption. If the trend and residues modeled between 2003 and 2010 is maintained, irrigated areas in 2040 should reach 1,954 km², increasing water demand of 6.3 m³ / s (2011) to 28 m³ / s (2040), in the month of higher water demand (in January). The final step is to calculate the ratio between the demand for consumptive uses and water availability (demand / availability), we observe an increasing trend in the percentage in the period between 2011 and 2040. On average, the demand / availability in 2011 was only 6.06%, with values between 0.81% (May) to 20.15% (December). By 2040, this proportion increased to 13.82%, with values between 1.09% (May) to 43.3% (December). Finally, with regard to changes in the curves obtained for regularization by simulating the water balance in a fictitious reservoir, the results show that there is a need for reservoirs with increasing capacity to meet the demand for consumptive uses, upon confirmation of the scenario climate change used, because of worsening drought in early summer.

Made available in DSpace on 2014-07-29T15:01:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Maira de Carvalho.pdf: 846890 bytes, checksum: 1b876a63defdf3d8fc33aa92bba455c5 (MD5) Previous issue date: 2011-08-29 / CARVALHO, M. Calibration models of urban drainage using multiobjective evolutionary algorithms. 2011. Dissertation (Masters of Environmental Engineering) - Civil Engineering College, Post-Graduation Stricto Sensu Program in Environmental Engineering - Federal University of Goiás, Goiânia, Goiás, Brazil, 2011.. This study proposed to develop and implement a calibration routine hydrological models applied to urban drainage using multiobjective optimization techniques. To make this work possible model was adopted Storm Water Management Model (SWMM) and the computational algorithms developed in MATLAB environment using an evolutionary algorithm. The method was applied to two different levels of detail in representing the Arroyo Cancels basin, located in the urban area of Santa Maria-RS, submitted to the hydrological processes involved in the process of rainfall-runoff transformation in the search for optimal values of hydrological parameters the basin. Objective functions were defined and applied simultaneously in the calibration parameters. Worked with the simulation of events of low and high intensity settings for two discretization of the watershed, and other simple and subdivided into 18 sub-basins. The sensitivity analysis performed made it possible to check that the parameters that most influenced the basin were simple: Percentage of impervious area and outlet width. Regarding the results for the various watershed discretization can be seen that in most cases when working with a more detailed watershed they were better, except for some isolated events. Overall the model showed better results when high-intensity simulated events for the best compromise solutions, thus showing the importance of using a multiobjective model. / CARVALHO, M. Calibração de modelos de drenagem urbana utilizando algoritmos evolucionários multiobjetivo. 2011. Dissertação (Mestrado em Engenharia do Meio Ambiente) Escola de Engenharia Civil, Programa de Pós-Graduação Stricto Sensu em Engenharia do Meio Ambiente, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, 2011. O presente trabalho propôs desenvolver e aplicar uma rotina de calibração de modelos hidrológicos aplicados a drenagem urbana empregando técnicas de otimização multiobjetivo. Para tornar possível a realização deste trabalho foi adotado o modelo Storm Water Management Model (SWMM) e as rotinas computacionais desenvolvidas em ambiente MATLAB, utilizando um algoritmo evolucionário. O método foi aplicado a dois diferentes níveis de detalhamento na representação da bacia do Arroio Cancela, localizada na zona urbana do município de Santa Maria-RS, na busca de valores ótimos de parâmetros hidrológicos da bacia. Foram definidas funções objetivo e aplicadas simultaneamente na calibração de parâmetros. Trabalhou-se com a simulação de eventos de baixa e alta intensidade para duas configurações de bacia hidrográfica, sendo simples e outra subdividida em 18 sub-bacias. A análise de sensibilidade realizada possibilitou a verificação de que os parâmetros que mais influenciaram na bacia simples foram: Porcentagem de área impermeável e Largura do escoamento. Em relação aos resultados para as diferentes configurações de discretização da bacia hidrográfica pode-se verificar que na maioria dos casos quando se trabalhou com uma bacia mais detalhada estes foram melhores, salvo alguns eventos isolados. No geral o modelo apresentou melhores resultados quando simulou eventos de alta intensidade para as soluções de melhor compromisso, assim mostrando a importância da utilização de um modelo multiobjetivo.

A gestão de recursos hídricos tornou-se cada vez mais complexa devido ao rápido crescimento sócio-econômico e as mudanças ambientais nas bacias hidrográficas nas últimas décadas. Modelos computacionais são importantes ferramentas de suporte na gestão de recursos hídricos e tomada de decisões devido a sua funcionalidade, provendo informações importantes sobre os principais processos físicos, químicos e biológicos, e permitindo melhorar o entendimento desses processos, os quais ocorrem em diferentes escalas espaciais e temporais. Na presente tese, o objetivo foi compreender o funcionamento hidrológico do sistema integrado bacia hidrográfica - lagoa, e os efeitos na hidrodinâmica do lago, utilizando como suporte o acoplamento da modelagem hidrológica - hidrodinâmica, e o uso de técnicas de sensoriamento remoto para o monitoramento de parâmetros de qualidade da água (e.g., clorofilaa, temperatura da superfície d’água e níveis da água). A área de estudo é a bacia hidrográfica da Lagoa Mirim, localizada no sul do Brasil, possuindo uma área total de 58.000 km2 (56% no Uruguai e o restante no Brasil). Foram propostos e testados modelos empíricos para estimativa de clorofila-a emumlago raso subtropical, baseados em imagens do sensor MODIS e técnicas estatísticas. Além disso, foi desenvolvido e avaliado o acoplamento da modelagem hidrológica-hidrodinâmica de grande escala e o sensoriamento remoto. O modelo hidrológico distribuído de grande escala MGBIPH acoplado com o modelo hidrodinâmico IPH-ECO foi utilizado para simular a bacia hidrográfica e os principais componentes hidrodinâmicos da Lagoa Mirim. O modelo mostrou bom desempenho quando comparado com observações de vazões, além de dados provenientes de sensoriamento remoto, através de altimetria espacial. As simulações mostraram importantes aspectos sobre a estrutura de fluxo, campos de velocidade e níveis d’água na lagoa, assim como a influência de grandes rios, forçantes externas como o vento (intensidade e direção) e o impacto do estressor antrópico (retiradas para irrigação) no sistema. As simulações permitiram avaliar aspectos relacionados com as variações espaciais e temporais (diurna, mensal, sazonal e inter-anual) da temperatura da superfície da água, a dinâmica dos fluxos de calor (sensível e latente) e os efeitos de eventos meteorológicos de pequena escala como frentes frias, os quais têm um impacto significativo sobre a temperatura superficial da água e os fluxos de calor na lagoa. Quanto aos modelos empíricos para estimativa de clorofila-a a partir do MODIS, os resultados mostram que um simples e eficiente modelo desenvolvido a partir de análise de regressão múltipla, apresentou ligeiras vantagens sobre os modelos de redes neurais artificiais, modelos multiplicativos não paramétricos e modelos empíricos (e.g., Appel, Kahru, FAI e O14a) usualmente utilizados na estimativa de Chl-a em ambientes aquáticos. Resultados também indicam que é inapropriado generalizar um único modelo desenvolvido a partir do conjunto total de dados, para estimar concentrações de Chl-a na lagoa, o que corrobora a heterogeneidade espacial na distribuição de Chl-a e as diferenças entre regiões (litoral e pelágica). A modelagem hidrológica-hidrodinâmica de grande escala apoiada por informação de sensoriamento remoto, mostrou ser uma abordagem promissora para o entendimento da estrutura e funcionamento de lagoas rasas de grande porte e longo prazo, úteis para a gestão integrada dos recursos hídricos. / The last decade, the water resource management is being complex due to the rapid socioeconomic development and environmental changes in river basins. Computations models are important support tools in water resource management and make decision providing important information and allowing a better comprehension of the physical, chemical and biologic processes, which occur in di erent temporal/spatial scales. In this thesis, the objective was to understand the hydrological functioning of the integrated basin- lake system and its e ects on hydrodynamics, using hydrodynamic - hydrodynamic modeling and water quality monitoring (e.g., chlorophyll-a, water surface temperature and water levels) from remote sensing techniques. The study area is the Lake Mirim basin, located between Brazil and Uruguay (basin total area 58.000 km2). Empirical models were proposed and tested to chlorophyll-a estimation in a shallow subtropical lake, based on MODIS imagery and statistics techniques. In addition, we developed and assessed the coupling of large scale hydrological/hydrodynamic modeling and remote sensing techniques. The large-scale distributed hydrological model MGB-IPH coupled with the hydrodynamic model IPHECO were used to simulate the river basin and the hydrodynamic components of the Lake Mirim. The coupled model showed good performance when compared to in-situ measurements and satellite altimetry data. The simulations showed important aspects relate to flow structure, velocity fields and lake water levels, as well as the influence of large rivers, external forcing as such the wind (intensity and direction), and the impact of anthropogenic stressors (irrigation withdrawals) in the system. The simulations allowed assessing the spatial and temporal variations (diurnal, monthly, seasonal and inter-annual) in the water surface temperature, heat fluxes dynamics (sensible and latent) and the e ects of short time-scale events, as such cold fronts passages over the lake, which cause strong impacts on the water surface temperature and heat fluxes in the lake. Regarding the empirical models developed to chlorophyll-a estimation from MODIS imagery, the results showed that a simple and e cient model developed from multiple regression analysis, performed best in comparison with artificial neural network models, non-parametric multiplicative models, and empirical models (e.g., Appel, Kahru, FAI and O14a) common used in the Chl-a estimation in aquatics environments. Results also indicated that is inappropriate to generalize a single model developed from the total datasets to estimates Chl-a in the lake, which corroborates the spatial heterogeneity (Chl-a distribution) and the di erences among regions (littoral and pelagic). The synergy between large-scale hydrological-hydrodynamic modeling, in situ measurements and remote sensing techniques provided a promising approach to improve the comprehension of the structure and ecosystem functioning of large shallow lakes in long-term time scale, useful to water resources management.

La cuenca del Río Guayas es considerada como la zona de mayor producción agrícolaganadera del Ecuador, por tanto su estudio es importante para tener una producción sustentable y sostenible en el tiempo. Su área abarca una superficie de 3 millones de ha, está conformada por zonas altas ubicadas sobre la Cordillera Occidental, zonas medias situadas en las laderas de la cordillera y zonas bajas que corresponde a las grandes llanuras aluviales de la costa donde se asienta la mayor concentración de población. Debido a la estructura morfológica de la cuenca y a los procesos antropogénicos que se desarrollaron sin tomar en cuenta planes conservacionistas adecuados en manejo de cuencas hidrográficas, las zonas bajas son las que mayormente se han visto afectadas durante años, por eventos de inundación frecuentes y prolongados, que generan grandes pérdidas materiales e incluso vidas humanas, afectando severamente su potencial económico y limitando el transporte fluvial. Siendo por este motivo, de fundamental importancia la determinación de la producción de caudales y sedimentos que se aportan al Río Guayas. El objetivo de esta tesis es la modelación hidrológica de la microcuenca del Río Toachi, tributario del Río Guayas, para cuantificar la producción de caudales líquidos y sólidos que se generan a partir de la caracterización morfológica e hidrometeorológica. Se aplicaron modelos hidrológicos y empíricos integrando los Sistemas de Información Geográfica (SIG) en el tratamiento de información espacial, generando una gran base de datos georreferenciada de la cuenca de estudio. Como resultado, se obtuvieron los parámetros morfológicos del relieve, de la forma y relativos a la red hidrográfica a nivel cuenca de estudio y sus unidades hidrológicas (subcuencas), destacando la forma alargada de la cuenca con pendientes fuertes en la cabecera, accidentadas en la zona media y suave en la desembocadura, con una superficie de 50.371,74 ha. Presenta valores de densidad de drenaje bajos con crecientes de menor magnitud y menor probabilidad de ocurrencia de eventos torrenciales, con un bajo poder erosivo. Se generaron los mapas temáticos como: topográfico, hidrográfico, orientación, iluminación y pendientes de las laderas, suelo, uso del suelo y cobertura vegetal, isotermas, isoyetas, zonas climáticas. Se realizó un estudio de los parámetros hidrometeorológicos y su dinámica en la cuenca de estudio a nivel zonas para cuantificar los caudales líquidos por medio del HECGeo-HMS. Se calibró y validó el modelo hidrológico HEC-HMS ® cuantificando el caudal simulado a la salida de la cuenca de estudio para que pueda ser usado en otras cuencas de iguales características morfométricas. Se calcularon los factores de la Ecuación Universal de Pérdida de Suelo (USLE) y la Tasa de Erosión Hídrica Superficial de la cuenca del Río Toachi y de las respectivas unidades hidrológicas. Además se realizó la cartografía particular de los parámetros de la USLE de la cuenca del Río Toachi con SIG para un análisis geoespacial. / Guayas River Basin is considered one of the greatest farming land and crop yield production areas of Ecuador. So this study is important to have a sustainable production through the time. It comprises 3 million hectares; which is compound by highlands located on the West mountain range, mountain passes located on the slopes and valleys that correspond to vast alluvial plains where most of the population is concentrated. Because of the basin morphological structure and the anthropogenic processes that have been developed regardless of preservation planning programs appropriate for hydrographic basin management, valleys have been mainly affected by frequent and long floods over years. These latter events have cost both damages and even losses of lives drastically altering the economic potential and limiting fluvial transportation. The fact of determining the water level and sediment production that are provided to Guayas River is, thus, of utmost importance. The aim of this thesis is the hydrologic modeling of Toachi River micro basin located within Guayas River basin to quantify liquid and solid flow production that stems from the morphological and hydrometeorological characterization. To this purpose, hydrological and empirical models were applied integrating the Geographic Information Systems (GIS) in the analysis of spatial data, thus, generating a great georreferencial database of the studied basin. As a result, morphological parameters of the relief, the shape and relating to the hydrographic network at a basin studied level and its hydrological units (sub-basin) were obtained. The elongated shape of the basin with steep slopes at the headwaters source, rugged in the passes and smooth in the mouth of the River with an extension of 50.371,74 ha. are highlighted. It presents low density drainage values with a growing water level of less scale and less probability of torrential events resulting in a low erosive power of the basin. Topic maps were generated like: topography, hydrography, orientation, illumination and hillside slopes, soil, soil use and vegetation cover, isotherms, isohyets, climate zones. Hydrometeorological parameters study was made and its dynamic in basin studied level to quantify the liquid flows by HECGeo-HMS. The hydrologic model HEC-HMS ® was calibrated and validated quantifying the water level simulated at the end of the studied basin in order to be used by other basins with similar morphometric characteristics. Universal Soil Loss Equation (USLE) and Superficial erosion rate factors of the Toachi River basin and its hydrologic units were calculated. And the particular cartography of the USLE parameters of the Toachi River basin with GIS for a geospatial analysis was made.

A gestão de recursos hídricos tornou-se cada vez mais complexa devido ao rápido crescimento sócio-econômico e as mudanças ambientais nas bacias hidrográficas nas últimas décadas. Modelos computacionais são importantes ferramentas de suporte na gestão de recursos hídricos e tomada de decisões devido a sua funcionalidade, provendo informações importantes sobre os principais processos físicos, químicos e biológicos, e permitindo melhorar o entendimento desses processos, os quais ocorrem em diferentes escalas espaciais e temporais. Na presente tese, o objetivo foi compreender o funcionamento hidrológico do sistema integrado bacia hidrográfica - lagoa, e os efeitos na hidrodinâmica do lago, utilizando como suporte o acoplamento da modelagem hidrológica - hidrodinâmica, e o uso de técnicas de sensoriamento remoto para o monitoramento de parâmetros de qualidade da água (e.g., clorofilaa, temperatura da superfície d’água e níveis da água). A área de estudo é a bacia hidrográfica da Lagoa Mirim, localizada no sul do Brasil, possuindo uma área total de 58.000 km2 (56% no Uruguai e o restante no Brasil). Foram propostos e testados modelos empíricos para estimativa de clorofila-a emumlago raso subtropical, baseados em imagens do sensor MODIS e técnicas estatísticas. Além disso, foi desenvolvido e avaliado o acoplamento da modelagem hidrológica-hidrodinâmica de grande escala e o sensoriamento remoto. O modelo hidrológico distribuído de grande escala MGBIPH acoplado com o modelo hidrodinâmico IPH-ECO foi utilizado para simular a bacia hidrográfica e os principais componentes hidrodinâmicos da Lagoa Mirim. O modelo mostrou bom desempenho quando comparado com observações de vazões, além de dados provenientes de sensoriamento remoto, através de altimetria espacial. As simulações mostraram importantes aspectos sobre a estrutura de fluxo, campos de velocidade e níveis d’água na lagoa, assim como a influência de grandes rios, forçantes externas como o vento (intensidade e direção) e o impacto do estressor antrópico (retiradas para irrigação) no sistema. As simulações permitiram avaliar aspectos relacionados com as variações espaciais e temporais (diurna, mensal, sazonal e inter-anual) da temperatura da superfície da água, a dinâmica dos fluxos de calor (sensível e latente) e os efeitos de eventos meteorológicos de pequena escala como frentes frias, os quais têm um impacto significativo sobre a temperatura superficial da água e os fluxos de calor na lagoa. Quanto aos modelos empíricos para estimativa de clorofila-a a partir do MODIS, os resultados mostram que um simples e eficiente modelo desenvolvido a partir de análise de regressão múltipla, apresentou ligeiras vantagens sobre os modelos de redes neurais artificiais, modelos multiplicativos não paramétricos e modelos empíricos (e.g., Appel, Kahru, FAI e O14a) usualmente utilizados na estimativa de Chl-a em ambientes aquáticos. Resultados também indicam que é inapropriado generalizar um único modelo desenvolvido a partir do conjunto total de dados, para estimar concentrações de Chl-a na lagoa, o que corrobora a heterogeneidade espacial na distribuição de Chl-a e as diferenças entre regiões (litoral e pelágica). A modelagem hidrológica-hidrodinâmica de grande escala apoiada por informação de sensoriamento remoto, mostrou ser uma abordagem promissora para o entendimento da estrutura e funcionamento de lagoas rasas de grande porte e longo prazo, úteis para a gestão integrada dos recursos hídricos. / The last decade, the water resource management is being complex due to the rapid socioeconomic development and environmental changes in river basins. Computations models are important support tools in water resource management and make decision providing important information and allowing a better comprehension of the physical, chemical and biologic processes, which occur in di erent temporal/spatial scales. In this thesis, the objective was to understand the hydrological functioning of the integrated basin- lake system and its e ects on hydrodynamics, using hydrodynamic - hydrodynamic modeling and water quality monitoring (e.g., chlorophyll-a, water surface temperature and water levels) from remote sensing techniques. The study area is the Lake Mirim basin, located between Brazil and Uruguay (basin total area 58.000 km2). Empirical models were proposed and tested to chlorophyll-a estimation in a shallow subtropical lake, based on MODIS imagery and statistics techniques. In addition, we developed and assessed the coupling of large scale hydrological/hydrodynamic modeling and remote sensing techniques. The large-scale distributed hydrological model MGB-IPH coupled with the hydrodynamic model IPHECO were used to simulate the river basin and the hydrodynamic components of the Lake Mirim. The coupled model showed good performance when compared to in-situ measurements and satellite altimetry data. The simulations showed important aspects relate to flow structure, velocity fields and lake water levels, as well as the influence of large rivers, external forcing as such the wind (intensity and direction), and the impact of anthropogenic stressors (irrigation withdrawals) in the system. The simulations allowed assessing the spatial and temporal variations (diurnal, monthly, seasonal and inter-annual) in the water surface temperature, heat fluxes dynamics (sensible and latent) and the e ects of short time-scale events, as such cold fronts passages over the lake, which cause strong impacts on the water surface temperature and heat fluxes in the lake. Regarding the empirical models developed to chlorophyll-a estimation from MODIS imagery, the results showed that a simple and e cient model developed from multiple regression analysis, performed best in comparison with artificial neural network models, non-parametric multiplicative models, and empirical models (e.g., Appel, Kahru, FAI and O14a) common used in the Chl-a estimation in aquatics environments. Results also indicated that is inappropriate to generalize a single model developed from the total datasets to estimates Chl-a in the lake, which corroborates the spatial heterogeneity (Chl-a distribution) and the di erences among regions (littoral and pelagic). The synergy between large-scale hydrological-hydrodynamic modeling, in situ measurements and remote sensing techniques provided a promising approach to improve the comprehension of the structure and ecosystem functioning of large shallow lakes in long-term time scale, useful to water resources management.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Over the years, urban growth occurred in regions close to watersheds, making difficult the recharge areas of these basins and having consequences as urban flooding. Based on the study of urban watersheds, this work aims to estimate and delineate floatable areas around Monjolo Stream in Patos de Minas. Thus, from the application of hydrologic models (Method Santa Barbara) and hydraulic (kinematic wave) in computer flooding simulation, for different urbanization growth scenarios from remaining area of the basin, extreme floods situations were defined, which are the mimínas (approximately 2000 m² of envelopment and faster recovery time area) and maximum (return time of 100 years with the highest envelopment areas). Furthermore, this study verified the effects, on basin macro drainage, different rates of permeable areas in occupied allotments. In these simulations, we observed the appearance of adjacent flooding to the artificial watercourse, proving that for certain precipitation and basin urbanization scenarios, the overflow occurs at some points of its extension. With the base of inundograma significant widening, it was observed that there is an evident trend of longer lasting floods, with basin growing occupation. Analysing the simulation results, it was possible to establish a suggested maximum occupancy rate of 55% for the basin. This study also proposes the adoption of a minimum permeable area rate of at least 37% in future allotment, with 100% urbanization of the remaining area in order to prevent flooding on the Stream Monjolo Basin. This work analysis and observations, can be used by gestors to a more suitable urban planning, regards the basin occupation. / Ao longo dos anos, o crescimento das cidades ocorreu nas regiões próximas às bacias hidrográficas, dificultando as áreas de recarga dessas bacias e tendo como consequências as enchentes urbanas. Baseando-se no estudo de bacias urbanas, este trabalho tem o objetivo de estimar e delimitar áreas inundáveis da bacia do Córrego do Monjolo em Patos de Minas. Desta forma, a partir da aplicação de modelos hidrológicos (Método Santa Bárbara) e hidráulicos (onda cinemática) na simulação computacional de enchentes para diferentes cenários de crescimento da urbanização da área remanecente a montante da bacia, foram definidas situações extremas de enchentes, que são as mimínas (aproximadamente 2000 m² de área de envoltória e menor tempo de retorno) e as máximas (tempo de retorno de 100 anos com as máximas áreas de envoltórias). Além disso, este trabalho verificou os efeitos, na macrodrenagem da bacia, de diferentes taxas de áreas pemeáveis na ocupação dos loteamentos. Nas simulações realizadas, constatou-se o surgimento das inundações adjacentes ao canal artificial, comprovando que, para determinados cenários de precipitação e de urbanização da bacia, ocorre o transbordamento em alguns pontos da sua extensão. Com alargamento significativo da base do inundograma foi observado que fica evidente a tendência das enchentes perdurarem por mais tempo, com a crescente ocupação da bacia. Com a análise dos resultados das simulações, foi possível estabelecer uma taxa de ocupação máxima sugerida de 55%, para a bacia. Este estudo também propôs a adoção de uma área permeável mínima de 37% nos futuros lotes, com uma urbanização de 100% da área remanescente, de forma a evitar as inundações na Bacia do Córrego do Monjolo. Por meio destas análises e observações, este trabalho pode ser utilizado pelos gestores para um planejamento urbano mais adequado, no que diz respeito à ocupação da bacia. / Mestre em Engenharia Civil

A gestão de recursos hídricos tornou-se cada vez mais complexa devido ao rápido crescimento sócio-econômico e as mudanças ambientais nas bacias hidrográficas nas últimas décadas. Modelos computacionais são importantes ferramentas de suporte na gestão de recursos hídricos e tomada de decisões devido a sua funcionalidade, provendo informações importantes sobre os principais processos físicos, químicos e biológicos, e permitindo melhorar o entendimento desses processos, os quais ocorrem em diferentes escalas espaciais e temporais. Na presente tese, o objetivo foi compreender o funcionamento hidrológico do sistema integrado bacia hidrográfica - lagoa, e os efeitos na hidrodinâmica do lago, utilizando como suporte o acoplamento da modelagem hidrológica - hidrodinâmica, e o uso de técnicas de sensoriamento remoto para o monitoramento de parâmetros de qualidade da água (e.g., clorofilaa, temperatura da superfície d’água e níveis da água). A área de estudo é a bacia hidrográfica da Lagoa Mirim, localizada no sul do Brasil, possuindo uma área total de 58.000 km2 (56% no Uruguai e o restante no Brasil). Foram propostos e testados modelos empíricos para estimativa de clorofila-a emumlago raso subtropical, baseados em imagens do sensor MODIS e técnicas estatísticas. Além disso, foi desenvolvido e avaliado o acoplamento da modelagem hidrológica-hidrodinâmica de grande escala e o sensoriamento remoto. O modelo hidrológico distribuído de grande escala MGBIPH acoplado com o modelo hidrodinâmico IPH-ECO foi utilizado para simular a bacia hidrográfica e os principais componentes hidrodinâmicos da Lagoa Mirim. O modelo mostrou bom desempenho quando comparado com observações de vazões, além de dados provenientes de sensoriamento remoto, através de altimetria espacial. As simulações mostraram importantes aspectos sobre a estrutura de fluxo, campos de velocidade e níveis d’água na lagoa, assim como a influência de grandes rios, forçantes externas como o vento (intensidade e direção) e o impacto do estressor antrópico (retiradas para irrigação) no sistema. As simulações permitiram avaliar aspectos relacionados com as variações espaciais e temporais (diurna, mensal, sazonal e inter-anual) da temperatura da superfície da água, a dinâmica dos fluxos de calor (sensível e latente) e os efeitos de eventos meteorológicos de pequena escala como frentes frias, os quais têm um impacto significativo sobre a temperatura superficial da água e os fluxos de calor na lagoa. Quanto aos modelos empíricos para estimativa de clorofila-a a partir do MODIS, os resultados mostram que um simples e eficiente modelo desenvolvido a partir de análise de regressão múltipla, apresentou ligeiras vantagens sobre os modelos de redes neurais artificiais, modelos multiplicativos não paramétricos e modelos empíricos (e.g., Appel, Kahru, FAI e O14a) usualmente utilizados na estimativa de Chl-a em ambientes aquáticos. Resultados também indicam que é inapropriado generalizar um único modelo desenvolvido a partir do conjunto total de dados, para estimar concentrações de Chl-a na lagoa, o que corrobora a heterogeneidade espacial na distribuição de Chl-a e as diferenças entre regiões (litoral e pelágica). A modelagem hidrológica-hidrodinâmica de grande escala apoiada por informação de sensoriamento remoto, mostrou ser uma abordagem promissora para o entendimento da estrutura e funcionamento de lagoas rasas de grande porte e longo prazo, úteis para a gestão integrada dos recursos hídricos. / The last decade, the water resource management is being complex due to the rapid socioeconomic development and environmental changes in river basins. Computations models are important support tools in water resource management and make decision providing important information and allowing a better comprehension of the physical, chemical and biologic processes, which occur in di erent temporal/spatial scales. In this thesis, the objective was to understand the hydrological functioning of the integrated basin- lake system and its e ects on hydrodynamics, using hydrodynamic - hydrodynamic modeling and water quality monitoring (e.g., chlorophyll-a, water surface temperature and water levels) from remote sensing techniques. The study area is the Lake Mirim basin, located between Brazil and Uruguay (basin total area 58.000 km2). Empirical models were proposed and tested to chlorophyll-a estimation in a shallow subtropical lake, based on MODIS imagery and statistics techniques. In addition, we developed and assessed the coupling of large scale hydrological/hydrodynamic modeling and remote sensing techniques. The large-scale distributed hydrological model MGB-IPH coupled with the hydrodynamic model IPHECO were used to simulate the river basin and the hydrodynamic components of the Lake Mirim. The coupled model showed good performance when compared to in-situ measurements and satellite altimetry data. The simulations showed important aspects relate to flow structure, velocity fields and lake water levels, as well as the influence of large rivers, external forcing as such the wind (intensity and direction), and the impact of anthropogenic stressors (irrigation withdrawals) in the system. The simulations allowed assessing the spatial and temporal variations (diurnal, monthly, seasonal and inter-annual) in the water surface temperature, heat fluxes dynamics (sensible and latent) and the e ects of short time-scale events, as such cold fronts passages over the lake, which cause strong impacts on the water surface temperature and heat fluxes in the lake. Regarding the empirical models developed to chlorophyll-a estimation from MODIS imagery, the results showed that a simple and e cient model developed from multiple regression analysis, performed best in comparison with artificial neural network models, non-parametric multiplicative models, and empirical models (e.g., Appel, Kahru, FAI and O14a) common used in the Chl-a estimation in aquatics environments. Results also indicated that is inappropriate to generalize a single model developed from the total datasets to estimates Chl-a in the lake, which corroborates the spatial heterogeneity (Chl-a distribution) and the di erences among regions (littoral and pelagic). The synergy between large-scale hydrological-hydrodynamic modeling, in situ measurements and remote sensing techniques provided a promising approach to improve the comprehension of the structure and ecosystem functioning of large shallow lakes in long-term time scale, useful to water resources management.

Historically the issue of sustainable development is gaining emphasis in government policy decisions. The supply of water is in a crisis. For decision making a thorough study of the watersheds of the country for better efficiency in the management of water resources is necessary. The motivation of this research is based on hydrologic modeling n as subsidy programs for water resources management and analysis of water availability in the study area. This work models the behavior of the flow in the river basin Poxim-Açu, in the state of Sergipe and has the overall objective to study the flow in the river basin Poxim-Açu through hydrologic modeling using the IPH2 model and specific objectives 2 Calibrate the model IPH2 for the basin studied and compare results with those conducted by Silva (2013). Performance analysis of the model after calibration was rated satisfactory by the literature. The model showed the following coefficients: NSE = 0.73, R ² = 0.74, PBIAS = -7.44, RMSE = 0.95, RSR = 0.07. These values, compared with the work of Silva (2013) have certain conformity. What endorses the model as suitable for the study of hydrological processes in the study area. The statistics worsened during validation we react to the calibration period, but even so the model can be considered acceptable for a larger sample of observed data flow. / Historicamente a questão do desenvolvimento sustentável vem ganhando ênfase nas decisões políticas governamentais. O abastecimento de água encontra-se numa crise. Para tomadas de decisão é necessário um estudo aprofundado das bacias hidrográficas do país para uma melhor eficiência no gerenciamento dos recursos hídricos. A motivação dessa pesquisa fundamenta-se na modelagem hidrológica como subsídio para os programas de gestão de recursos hídricos e análise das disponibilidades hídricas na bacia estudada. O presente trabalho modela o comportamento da vazão na sub-bacia do rio Poxim-Açu, no estado de Sergipe e tem como objetivo geral estudar a vazão na sub-bacia deste rio, através de modelagem hidrológica usando o modelo IPH 2. Assim, os objetivos específicos foram Calibração do modelo IPH2 para a sub-bacia estudada e Comparar os resultados encontrados com os realizados por SILVA (2013). A análise de desempenho do modelo após sua calibração foi classificada como satisfatório. O modelo apresentou os seguintes coeficientes: NSE = 0,73, R² = 0,74, PBIAS = -7,44, RMSE = 0,95, RSR = 0,07. Esses valores, comparados com o trabalho de SILVA (2013) apresentam certa conformidade. O que referenda o modelo como satisfatório para o estudo dos processos hidrológicos na bacia estudada. As estatísticas durante a validação pioraram em relação ao período de calibração, mas mesmo assim o modelo pode ser considerado aceitável para uma amostra maior de dados observados da vazão.